EP4259373A1 - Laser machining a partly transparent workpiece using a virtually non-diffracting laser beam - Google Patents
Laser machining a partly transparent workpiece using a virtually non-diffracting laser beamInfo
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- EP4259373A1 EP4259373A1 EP21801073.4A EP21801073A EP4259373A1 EP 4259373 A1 EP4259373 A1 EP 4259373A1 EP 21801073 A EP21801073 A EP 21801073A EP 4259373 A1 EP4259373 A1 EP 4259373A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for material processing of a partially transparent workpiece with a quasi-non-diffracting beam. Furthermore, the invention relates to a laser processing system.
- a workpiece can be processed using the non-linear absorption of high-intensity laser radiation.
- one or more modifications can be produced in a workpiece with the high-intensity laser radiation if non-linear absorption of the high-intensity laser radiation occurs in the material of the workpiece.
- Modifications can affect the structure of the material and can be used, for example, for drilling, cutting by induced stresses, effecting a modification of the refractive behavior or for selective laser etching. See, for example, the applications WO 2016/079062 A1, WO 2016/079063 A1 and WO 2016/079275 A1 of the applicant in the field of processing essentially transparent workpieces.
- Beam-shaping elements and optical systems with which long, slim beam profiles can be provided in the beam propagation direction with a high aspect ratio for laser processing are described, for example, in WO 2016/079275 A1.
- the material of the workpiece has a linear absorption capacity with regard to laser radiation.
- partially transparent workpieces have an absorption (independent of the intensity of the irradiated laser radiation) with absorption coefficients in the range from approx. 0.1/mm to approx. 2.5/mm, corresponding to typical transmissions in the range from 90% to 10% per millimeter Material thickness, for example 60% per 1 mm glass thickness.
- Laser processing of partially transparent workpieces differs from laser processing of a material that is essentially transparent to the laser radiation, ie has negligible linear absorption, in that the laser radiation propagating in the material is also linearly absorbed by the material. Thus, the more laser radiation is absorbed, the further the laser radiation propagates through the material.
- One aspect of this disclosure is based on the object of enabling laser processing of a partially transparent workpiece with a focal zone that is elongated in the direction of propagation.
- beam shaping approaches such as those developed for the laser processing of transparent workpieces, should also be applicable to partially transparent workpieces.
- At least one of these objects is achieved by a method for material processing of a workpiece according to claim 1, by a laser processing system according to claim 14 and by a method for forming a beam shaping element according to claim 19. Further developments are specified in the dependent claims.
- One aspect of this disclosure includes a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, the workpiece having a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, which is independent of a laser radiation intensity, the steps:
- the phase imprint being set in such a way that when the phase-imposed laser radiation is focused in the partially transparent material of the workpiece, resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam in the focal zone is at least approximately constant in the longitudinal direction.
- this disclosure relates to a laser processing system for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, wherein the workpiece has a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam. which is independent of an intensity of the laser radiation.
- the Laser processing equipment includes a laser beam source that outputs a pulsed laser beam, and a beam shaping optical system for beam shaping the laser beam to form the quasi-non-diffractive laser beam having a focal zone extending in a longitudinal direction.
- the optical beam shaping system includes beam adjustment optics that are set up to output the laser beam as a raw laser beam with a beam diameter, and a beam shaping element that is set up to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam to form phase-impressed laser radiation for a predetermined beam diameter of the raw laser beam that when the phase-impressed laser radiation (5_PH) is focused into the partially transparent material of the workpiece (3), the quasi-non-diffracting laser beam (5) is generated with a resulting intensity distribution that is at least approximately constant in the longitudinal direction in the focal zone.
- the laser processing system also includes a workpiece holder for storing the workpiece, with the optical beam shaping system and/or the workpiece holder being set up to bring about a relative movement between the workpiece and the quasi-non-diffracting laser beam, in which the quasi-non-diffracting laser beam moves along a scanning trajectory in the material of the workpiece is positioned.
- a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam wherein the workpiece has a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam is independent of a laser radiation intensity, the steps:
- a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam comprises, the workpiece having a material which is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and which has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam is independent of a laser radiation intensity, the steps:
- Another aspect of this disclosure includes a method for forming a, in particular diffractive optical, beam-shaping element that is intended for use in material processing of a workpiece in an optical beam-shaping system for beam-shaping a quasi-non-diffracting laser beam from a raw laser beam, the workpiece being a quasi-non-diffracting laser beam has partially transparent material that has a linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, which is independent of a laser radiation intensity.
- the procedure includes the steps:
- a target intensity distribution as the resultant intensity distribution to be achieved in the workpiece along an optical axis of the quasi-non-diffracting laser beam, in which for modifying the material of the workpiece at a plurality of Positions along the optical axis, at least in sections, an intensity of the target intensity distribution is above an intensity threshold for non-linear absorption, which is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case;
- transversal beam profile in particular a beam diameter, of the raw laser beam onto which a two-dimensional phase distribution is to be impressed
- this disclosure relates to a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, the workpiece having a material which is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and which has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam is independent of a laser radiation intensity.
- the procedure includes the steps:
- the phase imprinting on the beam cross-section of the raw laser beam can be set in such a way that laser radiation reaches a plurality of positions in the workpiece arranged along an optical axis in an angle of arrival, which in particular is in the range of, for example, approx. 5° to approx ° in the partially transparent material of the workpiece - corresponding to approx. 40° in air - is guided with respect to the optical axis and forms the quasi-non-diffracting laser beam with the resulting intensity distribution at the majority of positions, with intensity losses due to linear absorption during propagation of the laser radiation in the partially transparent material to enter the plurality of positions.
- the phase imprint can be set in such a way that at least one position of the plurality of positions laser radiation is guided at several angles out of the angle of incidence range, so that in the partially transparent material at the plurality of positions an intensity threshold for non-linear absorption is exceeded despite the intensity losses that occur, wherein the non-linear absorption in the partially transparent material depends on the respective intensity of the laser radiation.
- laser radiation directed at a first angle to the at least one position of the plurality of positions can have a phase difference of less than Pi/4 with respect to laser radiation directed at a second angle to the at least one position of the plurality of positions is performed, has.
- the phase imprinting can be set in such a way that the laser radiation is guided in a rotationally symmetrical manner to the plurality of positions, so that each of the plurality of angles represents a local cone angle.
- adjusting the phase imprint can include adjusting phase increases in the radial direction, which are imprinted on beam cross-sectional areas of the raw laser beam, and/or adjusting geometric parameters of beam cross-sectional areas in which one or more phase increases are imprinted.
- the beam cross-sectional areas can comprise at least two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas and the phase increases for the two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas can be set in such a way that laser radiation from the two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas of a common position of the plurality of positions among two different cone angles is supplied.
- the intensity components of a raw laser beam intensity that are assigned to the beam cross-section areas can also be set in order to bring about the resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam in the focal zone.
- the phase imprinting can be adjusted for a predefined transversal intensity distribution of the raw laser beam, in particular a predefined beam diameter of the raw laser beam, and a predefined linear absorption of the partially transparent material of the workpiece.
- the transversal intensity distribution, in particular a beam diameter, of the raw laser beam can be adjusted with unchanged phase imprinting, by an intensity component of a raw laser beam intensity that is supplied to one position of the plurality of positions will increase or decrease.
- the phase imprint can be set in such a way that a decrease in intensity of the quasi-non-diffracting laser beam due to the linear absorption in the partially transparent material is compensated for at least in sections.
- the resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam along the optical axis can have an intensity distribution or an envelope intensity distribution that includes deviations from an average intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the range of up to 10%, with the average intensity refers to the part of the focal zone where there is a non-linear interaction with the material of the workpiece.
- the intensity distribution or the envelope intensity distribution can in particular be essentially constant.
- the partially transparent material can be modified based on the non-linear absorption at a plurality of positions in the focus zone, despite the intensity losses that occur.
- the modification of the partially transparent material can extend over a length of the quasi-non-diffracting laser beam or consist of a series of modification zones along the quasi-non-diffracting laser beam.
- a laser beam with a Gaussian transverse intensity profile can be used as the raw laser beam, and the optical beam shaping system can be set up to shape a Bessel-Gaussian beam as a quasi-non-diffracting laser beam.
- a transverse extent of the quasi-non-diffractive laser beam in the focal zone can change along the optical axis and/or a transverse extent of the quasi-non-diffractive laser beam can depend on angles of incidence at a position of the focal zone, with which laser radiation is used to form the quasi- non-diffractive laser beam is incident on the optical axis at the position of the focal zone.
- the method can also include the following steps:
- the optical beam-shaping system can include a diffractive optical beam-shaping element and the diffractive optical beam-shaping element can have surface elements that adjoin one another, which build up a surface grating structure and to which a phase shift value is assigned, the phase shift values having a two-dimensional phase distribution corresponding to the set phase impression define.
- the phase imprinting can be effected with the diffractive optical beam-shaping element by impressing the phase distribution on the raw laser beam.
- the beam-shaping optical system may include a beam-shaping element formed according to the method of forming a beam-shaping element disclosed herein.
- the iteratively adapted phase increases in conjunction with intensity components of the raw laser beam present in the beam cross-section areas can cause a redistribution of the laser radiation contributing to the quasi-non-diffracting laser beam along the optical axis to form the target intensity distribution.
- a phase increase corresponds to an angle at which the laser radiation is guided to the optical axis.
- the two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption can be determined iteratively in such a way that laser radiation is guided to at least one position of a plurality of positions along the optical axis at a plurality of angles.
- the beam-shaping element can have surface elements which adjoin one another and are provided with phase shift values which are set in accordance with the two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption.
- the beam-shaping element can be embodied as a Fresnel-Axicon-like diffractive optical element whose phase shift values are fixed, or as a spatial light modulator whose phase shift values have been adjusted according to the phase distribution compensating for the linear absorption.
- the method for forming a beam-shaping element can also include:
- a height profile in particular a thickness profile of an optical material or a mirror profile, from the two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption, a local height corresponding to a local phase shift value
- the phase imprinting on a beam cross-section of the raw laser beam can be adjusted with the beam-shaping element in such a way that laser radiation of the raw laser beam is guided to a plurality of positions in the workpiece arranged along an optical axis in an angle of arrival range with respect to the optical axis and the quasi - forms non-diffracting laser beam at the plurality of positions.
- Intensity losses can occur due to the linear absorption during the propagation of the laser radiation in the partially transparent material to the plurality of positions, wherein the phase imprint can also be set such that laser radiation is guided at several angles from the angle of arrival range to at least one position of the plurality of positions, so that in the partially transparent material, an intensity threshold for non-linear absorption, which is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case, is exceeded at the majority of positions despite the intensity losses that occur.
- the laser processing system can also include a controller that is set up to adjust the beam adjustment optics in such a way that the beam diameter on the beam shaping element is larger or smaller than the specified beam diameter by variations in the linear absorption with respect to the linear absorption for which the phase imprint was determined , to balance.
- the beam-shaping element can be designed as a diffractive optical element, a spatial light modulator or a modified refractive or reflective axicon.
- the phase imprint can be designed so that the resulting intensity distribution has an intensity distribution or an envelope intensity distribution that includes deviations from an average intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the range of up to 10%, with the average intensity refers to a part of the focal zone in which a non-linear interaction with the material of the workpiece takes place.
- the intensity distribution or the envelope intensity distribution can in particular be essentially constant.
- a quasi-non-diffractive laser beam formed by means of an optical beam shaping system can have an intensity distribution in the focal zone in the formation of an elongated focal zone in air that varies in the longitudinal direction (usually in the direction of beam propagation) (i.e., is variably formed / was set), so that when this quasi-non-diffracting laser beam is irradiated into a workpiece to be machined, a resulting intensity distribution within the workpiece is preferably approximately constant.
- the course of the variable intensity distribution in air is matched to the linear absorption behavior of the material of the workpiece.
- an approximately constant intensity distribution in the material includes, for example, deviations from an average intensity of the laser beam in the range of e.g. up to 10%, with the average intensity referring to the part of the focal zone in which the (nonlinear) interaction with the material of the workpiece takes place.
- phase imprinting performed in accordance with the present invention can be accomplished using a refractive, diffractive, and/or reflective beamforming system.
- the beam shaping system is used to impress the amplitude of the raw laser beam.
- the concepts disclosed herein relate in particular to beam shaping, which involves the arrival of beam components at an angle of arrival onto a beam axis of the laser beam for the Formation of an elongated focus zone caused by interference of the beam components.
- the jet components are fed in partly through the material of the workpiece. Sections of the elongated focal zone lying downstream in particular are thus based on laser radiation which propagates through the material along an optical path whose length is of the order of magnitude of the length of the focal zone.
- the beam shaping described herein relates to beam shaping that generates a quasi-non-diffracting beam for forming the elongated focal zone along the beam axis in the partially transparent workpiece.
- the linear absorption can affect the intensity distribution along the focal zone, particularly in the case of focal zones of this type that extend in the direction of propagation over a significant length of up to a few millimeters.
- a (longitudinal) intensity distribution along the elongated focal zone considered in this context is characterized by the progression of a maximum of the intensity in the direction of propagation.
- the course of a quasi-non-diffracting beam can have several local intensity maxima along the elongated focal zone, so that in these embodiments a function enveloping the local intensity maxima can be used for the (longitudinal) intensity distribution (envelope intensity distribution). Furthermore, a transversal intensity distribution of the quasi-non-diffracting beam can be observed at every position in the propagation direction, in particular at every local intensity maximum.
- a three-dimensional intensity distribution with regard to a target threshold intensity is characterized by an aspect ratio (as the extension of the quasi-non-diffracting beam in the propagation direction in relation to the lateral extension across the quasi-non-diffracting beam (diameter of the intensity maximum)) of at least 10:1, for example 20:1 and more or 30:1 and more, or 1000:1 and more.
- the aspect ratio can be related to the aforementioned enveloping function of the intensity distribution.
- a quasi-non-diffracting beam can lead to a modification in the material with a similar aspect ratio or to an arrangement of several modification zones, which are delimited by an envelope with a corresponding aspect ratio, with a correspondingly sufficient intensity in the elongated focal zone.
- the modification/the Arrangement of several modification zones can preferably extend over a length of the quasi-non-diffracting laser beam (5).
- a maximum change in the transverse extent of the intensity distribution over the focal zone can be in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less lie on an average transverse extent, where the average transverse extent relates to that part of the focal zone in which the (non-linear) interaction with the material of the workpiece takes place.
- the aspects disclosed herein relate in particular to the laser-based material processing of a partially transparent workpiece, the linear absorption of which is given by an absorption coefficient in the range from approx. 0.1/mm to approx. 2.5/mm.
- Fig. 1 Figures to clarify quasi-non-diffracting beams in comparison with a Gaussian beam
- FIG. 2 shows a schematic sketch of a laser processing system for material processing
- 5 shows a flow chart to illustrate a method for material processing of a workpiece that consists of a partially transparent material
- 6A to 6C exemplary representations of radial height profiles of an axicon and a modified axicon as well as a radial phase curve
- FIG. 7 shows a schematic illustration to clarify the adjustment of a longitudinal intensity distribution of the quasi-non-diffracting beam in the propagation direction when there is linear absorption in a workpiece by adjusting the phase imprint
- FIG. 9 shows a flowchart to clarify a method for forming an, in particular diffractive, optical beam-shaping element.
- Non-diffracting beams (“non-chff active beams”) - alternatively also known as propagation-invariant beams - can be formed by wave fields that correspond to the Helmholtz equation suffice and a clear separability into a transverse (ie, in the x and y direction) dependency and a longitudinal dependency (ie, a dependency in the z direction/direction of propagation) of the shape exhibit.
- Equation 3 any complex-valued function that depends only on the transversal coordinates x and y. Since the z-dependence in Equation 2 exhibits pure phase modulation, is an intensity of a function solving Equation 2 is propagation-invariant and is called “non-diffractive”: (equation 3) This approach provides different solution classes of the Helmholtz equation in different coordinate systems, such as so-called Mathieu rays in elliptical-cylindrical coordinates or so-called Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
- non-diffracting beams A large number of types of non-diffracting beams can be realized to a good approximation. These realized non-diffractive beams are referred to herein as “quasi-non-diffractive beams” or “spatial non-diffractive beams” or, for convenience, “non-diffractive beams”. Quasi-non-diffracting beams, i.e. optically shaped/optically implemented non-diffracting laser beams, in contrast to the theoretical construct, have finite power. A length L of a propagation invariance assigned to them is also finite.
- FIG. 1 shows the propagation behavior of quasi-non-diffracting rays using intensity representations in figures (b) and (c) .
- Figures (a), (b) and (c) each show a longitudinal section (x-z plane) and a transverse section (x-y plane) through the focus of a Gaussian beam and quasi-non-diffractive beams, respectively, which appear in z -direction, with arrows 2 additionally clarifying the direction of propagation in the z-direction (e.g. also in FIGS. 4 and 7).
- Figure (b) also shows a far-field transverse distribution F of the quasi-non-diffracting beam. See Fig. 2 for the position of the far-field distribution.
- F far-field transverse distribution
- Figure (b) refers to a rotationally symmetrical, quasi-non-diffracting beam, in this case a Bessel-Gaussian beam.
- Figure (c) refers to an asymmetric quasi-non-diffracting beam as an example.
- panels (d) and (e) of Figure 1 also show details of a central intensity maximum.
- Figure (d) of FIG. 1 shows an intensity profile in a transversal sectional plane (x- y-plane) and a transverse intensity curve in the x-direction.
- Image (e) of FIG. 1 shows details of the central intensity maximum in a section in the direction of propagation (z-direction).
- a focus GF diameter u o of the Gaussian focus is defined, with the Gaussian focus being established via the second moments. Furthermore, an associated characteristic length of the Gaussian beam
- Focus position is set at which the beam cross-section has increased by a factor of 2.
- a transverse focal diameter JND o is defined as the transverse dimension of a local intensity maximum, where the VD transverse focal diameter H is given by the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima (e.g. intensity drop to 25%). See, for example, Figures (b) and (d) in FIG. 1.
- the longitudinal (axial, in the direction of propagation) extent of the almost propagation-invariant intensity maximum can be regarded as a characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. It is defined by an intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum, in the positive and negative z-direction, see images (c) and (e) of Fig. 1.
- a quasi-non-diffracting ray is assumed if, for similar transverse dimensions, eg “o ⁇ “o , the characteristic length L of the quasi-non-diffracting ray clearly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, especially if L > 10z R
- (Quasi-) Bessel rays also known as Bessel-like rays, are examples of a class of (quasi-) non-diffractive/propagation-invariant rays. With such rays, the transverse field distribution obeys near the optical axis in good
- Approximation of a Bessel function of the first kind of order n is the so-called Bessel-Gaussian rays, which are widely used because they are easy to generate.
- a Bessel-Gaussian beam can be formed, for example, by illuminating an axicon of refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam.
- An associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis in the area of an associated elongated focal zone obeys in good Approximation of a Bessel function of the first kind of order 0 wrapped by a Gaussian distribution, see figure (d) of Fig. 1.
- Typical Bessel-Gauss beams which can be used to process transparent materials, have a diameter of the central intensity maximum on the optical axis in the range of on.
- the associated length L of a quasi-non-diffractive beam can easily exceed 1 mm, see figure (b) of Fig. 1.
- beam with u o ⁇ u o E 111 is characterized by a focal length in air of only a wavelength ⁇ of 1 pm, see figure (a) in FIG. 10 R, for example 100 times or more or even 1000 times or more the Rayleigh length.
- Figure (f) of Figure 1 shows an inverse Bessel-Gaussian beam as an example of another quasi-non-diffracting beam. It can be seen how the longitudinal intensity distribution of the inverse Bessel-Gaussian beam is inverted in comparison to the Bessel-Gaussian beam with respect to the propagation direction by imaging a virtual Bessel-Gaussian beam (see the publications mentioned at the beginning).
- aspects described herein are based in part on the recognition that when a workpiece made of a partially transparent material is to be processed with a quasi-non-diffractive beam, the linear absorption affects the intensity emitted along the quasi-non-diffractive beam, i.e. in the elongated focal zone , exists. This is particularly the case when the quasi-non-diffracting beam forms, for example, in an interference-based focal zone of a Bessel-Gaussian beam.
- beam shaping as used to process essentially transparent workpieces, is no longer expedient, since the processing along the quasi-non-diffracting beam generated in this way would be carried out with different interaction conditions (due to the decreasing intensity in the direction of propagation) or no longer spatially in the required extent would take place.
- the quasi-non-diffracting beam for example with a Bessel beam-like beam profile, in the partially transparent workpiece
- the absorbing beam that occurs when passing through the workpiece To counteract the effect by "increasing the injection of intensity along the focal zone”.
- a quasi-non-diffracting beam is formed with an intensity distribution that increases along the direction of propagation--ignoring the linear absorption--as would form, for example, in the case of a comparison workpiece without linear absorption or, for example, in air.
- the increase in the intensity distribution (without linear absorption in the workpiece) can then at least partially compensate for the decrease in intensity due to the linear absorption.
- an increasing intensity distribution (without linear absorption in the workpiece) can be achieved by a special adaptation of the phase imprint (caused, for example, by a special shape of the geometry of the axicon or a specially designed phase distribution of a diffractive optical element).
- phase imprinting/beam-shaping optics can be designed in such a way that, without linear absorption in the workpiece, they cause a homogenized intensity distribution in the propagation direction for a given beam diameter by distributing laser power evenly along the focal zone, in particular by intensifying intensity in downstream sections of the quasi-non-diffracting beam redistributed.
- An example is a homogenized Bessel-Gaussian beam.
- phase imprinting/beam shaping optics can now be used with a varied, e.g. increased, beam diameter, where the beam diameter is chosen such that more intensity is redistributed into downstream portions of the quasi-non-diffractive beam, so as to reduce the linear counteract absorption.
- Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system 1 for processing a workpiece 3 with a quasi-non-diffractive (laser) beam 5.
- the concepts disclosed herein are aimed specifically at the processing of workpieces made of a material that is partially transparent with respect to the laser beam 5 and causes a linear absorption of the laser beam 5 accordingly.
- the workpiece 3 can be, for example, a partially transparent (e.g. colored) glass, such as a glass pane, or an object that is partially transparent for the laser wavelength used, such as a pane, in a ceramic or crystalline design (for example made of aluminum oxide or zirconium oxide such as sapphire, e.g. natural or artificially colored sapphire ) be.
- the material in the spectral range of the laser beam 5 absorbs 50% of the intensity of a laser beam passing through over a length of 1 mm.
- the material of the workpiece can have absorption coefficients in the range from approx. 0.1/mm to approx. 2.5/mm, with corresponding transmissions in the range from 90% to 10% per millimeter of material thickness, for example 50% per 1 mm glass thickness.
- the processing with the quasi-non-diffracting laser beam causes a modification of the material of the workpiece 3 in a focus zone 7 that is formed by the quasi-non-diffracting laser beam 5 .
- the focal zone 7 is generally elongated in a direction of propagation (direction of propagation; here the z-direction) of the quasi-non-diffracting laser beam 5 .
- the focal zone 7 can be formed as a focal zone of a Bessel-Gaussian beam or an inverse Bessel-Gaussian beam.
- the laser processing system 1 comprises a laser beam source 11 (for example an ultra-short pulse high-power laser system) which generates and outputs a laser beam 5′′.
- the laser beam 5′′ is, for example, pulsed laser radiation.
- laser pulses of the pulsed laser radiation have, for example, pulse energies that lead to pulse peak intensities in the quasi-non-diffracting beam that cause non-linear absorption in the material of the Workpiece 3 and thus bring about a formation of a modification in a geometry predetermined by the intensity profile of the quasi-non-diffracting beam.
- the laser processing system 1 also includes an optical beam shaping system 13.
- the optical beam shaping system 13 can be provided at least partially in a processing head of the laser processing system 1, which can be spatially aligned relative to the workpiece 3.
- the optical beam shaping system 13 comprises beam shaping optics 15 for impressing the phase on a raw laser beam 5'.
- the laser radiation emerging from the beam-shaping optics 15 represents phase-impressed laser radiation 5 PH that is used to shape the quasi-non-diffracting beam 5 .
- Beam portions 5A, 5B and 5C of the phase-impressed laser radiation 5 PH are indicated by way of example.
- Diffractive optical beam-shaping elements and refractive or reflective optics implementations can be used as beam-shaping optics, it being possible for these to be embodied here as essentially equivalent optical means with regard to a transverse phase imprinting to be carried out.
- the beam-shaping optics 15 is, for example, an axicon, a hollow-cone axicon, a (hollow-cone) axicon lens/mirror system, a reflective axicon lens/mirror system, these components being linear in their phase-impressing property
- Absorption in a workpiece were modified to produce a formation of increasing intensity distributions in comparison materials without linear absorption (see Figure 6B).
- Modified geometries of an axicon or inverse axicon deviate from the linear dependence of the thickness of the conventional cone-shaped axicon on a radial distance from the beam axis.
- the beam shaping optics 15 can also be a programmable or permanently written diffractive optical beam shaping element, in particular a spatial light modulator (SLM spatial light modulator).
- a diffractive optical beam-shaping element has surface elements that adjoin one another (see also FIG. 8, images (d1) and (d2)), which build up a surface grating structure in which each surface element is assigned a phase shift value.
- a geometry of a (hollow cone) axicon can be simulated, for example, where the Phase imprint can also be modified with respect to the implementation of a conventional axicon.
- quasi-homogenized intensity distributions can be generated in elongated focal zones of Bessel-Gauss beams as an example of a quasi-non-diffracting beam in a transparent material.
- the homogeneity in intensity can be continuous along the elongated focal zone or there can be a sequence of intensity maxima with, for example, comparable intensity values along the focal zone.
- the beam-shaping optics 15 can be set up to prevent beam portions of a raw laser beam 5' returning to the laser beam 5" from entering at an angle of incidence 6' onto a beam axis 9 for formation of the quasi-non-diffracting laser beam 5 along the beam axis 9 in the workpiece 3 by interference of the to cause beam components.
- the entry angle 6' is in an entry angle range of, for example, approximately 5° to approximately 25° with respect to the beam axis 9 in the partially transparent material (correspondingly up to approximately 40° in air).
- the quasi-non-diffracting laser beam 5 there are preferably comparable intensities in at least several sections of the quasi-non-diffracting laser beam 5 that cause non-linear absorption in the partially transparent material.
- specially adapted angles of incidence 6' can be provided (see also Fig. 6B), which cause intensity components to be rearranged in the direction of propagation in order to adapt the intensity along the focal zone/the quasi-non-diffracting beam.
- the optical beam shaping system 13 includes a beam adjustment optics 17A, for example in the form of a first telescope (shown schematically in FIG. 2 using lenses LI A and L2_A).
- the beam adjustment optics 17A are set up to adjust a beam diameter of the laser beam 5′′ and to feed the laser beam 5′′ as a raw laser beam 5′ with a raw laser beam diameter D to the beam shaping optics 15 .
- a Gaussian intensity distribution G with beam diameter D is indicated schematically in an intensity diagram I(y) for the raw laser beam 5′.
- the beam adjustment optics 17A can be used to adjust the beam size at the beam shaping optics 15 .
- beam shaping with an axicon-like phase imprint is shown as an example with beam paths for different beam cross-sectional areas of the raw laser beam 5' (eg corresponding to intensity rings in the intensity diagram I(y)).
- An axicon cross-section 15A is indicated schematically in FIG. 2 by way of example.
- the laser radiation is guided rotationally symmetrically at positions along the optical axis 9, with each of the angles of arrival representing a local cone angle which acts on an intensity ring in the intensity diagram I(y).
- FIG. 3A for a fixed angle of incidence
- FIG. 3B for angles of incidence that are variably set in a range of angles of incidence
- (Radial) beam components 5A, 5B, 5C are again indicated, which enter the beam axis 9 of the laser beam 5 at an angle of incidence (predetermined by the cone angle of the axicon) 6 in air or 6′ in the material.
- laser radiation of the beam portion 5A which is associated with a (radially inner) beam cross-sectional area R A of the raw laser beam 5' around the beam center, forms an initial section 6A of the quasi-non-diffracting laser beam.
- Laser radiation of the beam portion 5B which is assigned to a central annular beam cross-sectional area R_B of the raw laser beam 5', forms a central section 6B of the quasi-non-diffracting laser beam.
- Laser radiation of the beam portion 5C which is assigned to an outer ring-shaped beam cross-sectional area R_C of the raw laser beam 5', forms an end section 6C of the quasi-non-diffracting laser beam.
- the quasi-non-diffracting beam is formed along the beam axis 9 in the transparent workpiece 3_o by interference of the beam components 5A, 5B, 5C (over a length /., see also FIG. 1). It can be seen that the beam portions 5B, 5C lying further to the outside cover a longer path in the material and thus—in the case of a partially transparent material—would be exposed to stronger linear absorption than the beam portion 5A lying further to the inside.
- the intensities present in the focus zone at sections 6A, 6B, 6C of the quasi-non-diffracting beam are affected to different extents by linear absorption.
- optical paths of the laser radiation of the beam portions 5A, 5B, 5C are indicated schematically, starting from the beam-shaping element 15 to the focal zone 7.
- the portion of the optical paths in the partially transparent material of the workpiece 3 is essential for the linear absorption.
- These portions of the optical paths are provided with the reference symbols 5A′, 5B′ and 5C′ for the laser radiation of the beam portions 5A, 5B, 5C in FIG. 3A .
- each of the beam cross-sectional areas R A , R_B, R_C is assigned an intensity component I_A, I_B, I C of the intensity of the raw laser beam 5'.
- Fig. 2 and Fig. 3A simplify the mapping of beam cross-sectional area, intensity fraction, section of the quasi-non-diffracting laser beam.
- Variations in the angle of arrival 6' can now be adjusted by adjusting the phase imprint for the material processing of a workpiece made of a partially transparent material. This is shown schematically for the partially transparent workpiece 3 in FIG. 3B.
- the phase imprint is set such that laser radiation varies in its angle of incidence onto the beam axis 9 along the quasi-non-diffracting laser beam or the quasi-non-diffracting laser beam is formed at a position/on a section by laser radiation from a number of angles of incidence.
- laser radiation 5B_T is more flat than laser radiation 5A_T;
- Laser radiation 5C_T is more steep than laser radiation 5B_T;
- Laser radiation 5D_T falls even more steeply than laser radiation 5C_T.
- the intensity of the laser radiation which is guided to the different sections 6A_T, 6B_T, 6C_T along the optical axis 9, in order to constructively interfere there and form the quasi-non-diffracting laser beam, can be adjusted to the different intensities Influences of linear absorption can be adjusted.
- FIGS. 3A and 3B as a ray-optical comparison, in FIG. usually in the transparent material).
- the generation of a (quasi) non-diffractive laser beam is effected with a plurality of specifically set local cone angles with resulting varying arrival angles 5'_1, 6'_2. It is noted that in FIG.
- laser radiation 5C_T and laser radiation 5D_T impinge on the optical axis 9 next to one another for the sake of clarity.
- laser radiation is guided to a position on the optical axis 9 at a number of angles (from an angle of arrival area assigned to the beam-shaping element 15 ).
- the respective phase difference which is present in the focal zone 7 due to the different phases accumulated along the various optical paths, is included in a (constructive/destructive) superimposition of the laser radiation at a plurality of angles.
- 3C also shows a transverse far-field distribution F T , as can be present when generating a quasi-non-diffracting laser beam that is homogenized in a partially transparent material.
- the far-field distribution F T shows a spatial frequency spectrum that has several frequencies (corresponding to the angle ⁇ '_l, 6'_2) based on the spatial interferences.
- the weighting of intensities of the spatial frequencies for the generation of the quasi-non-diffracting laser beam homogenized in the partially transparent material is adapted to the linear absorption behavior.
- the optical beam shaping system 13 also includes an imaging system 17B, which is designed, for example, in the form of a second telescope (shown schematically in Fig. 2 using lenses LI B, L2_B) for imaging a real or virtual beam path in the partially transparent workpiece 3 is.
- the imaging system 17B can also be used to adjust the length of the quasi-non-diffracting beam in the workpiece 3, for example by changing the focal length of the imaging system 17B.
- the lens L1_B can also be combined with the beam-shaping element 15, as in the publications mentioned at the outset.
- a far-field distribution of the quasi-non-diffracting laser beam is also formed in the imaging system 17B (for example the far-field distribution F of FIG. 1 image (b) or the far-field distribution FT of FIG. 3C).
- the position PF of the far field is indicated schematically in FIG. 2 by an intermediate focus between the lenses LI B , L2_B.
- the optical beam shaping system 13 can have further beam-guiding components such as, for example, deflection mirrors, filters and control modules for aligning and adjusting the various components.
- the laser processing system 1 also includes a workpiece holder 19, indicated schematically in Fig. 2, for storing and optionally moving the workpiece 3.
- a relative movement takes place between the optical beam shaping system 13 (the quasi-non-diffracting laser beam) and the workpiece 3, so that the quasi-non-diffracting beam 5/the focal zone 7 is at different positions along a predetermined (processing) trajectory T im Workpiece 3 can be formed.
- the quasi-non-diffracting laser beam 5 can preferably be moved along the scanning trajectory, so that a series of modifications is written into the workpiece along the scanning trajectory T. For e.g. separating the workpiece 3 into two parts, the trajectory T then determines the course of a subsequent separating line.
- the laser processing system 1 also has a controller 21 which, in particular, has an interface for a user to input operating parameters.
- the controller 21 includes electronic control components such as a processor for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 1.
- operating parameters of the laser beam source 11 such as pump laser power, pulse duration, pulse energy, parameters for setting an optical element (e.g. an SLM) and Parameters for the spatial alignment of an optical element of the optical beam shaping system 13 and/or parameters of the workpiece holder 19 (for traversing the scanning trajectory T) can be set.
- the functional connection of the controller 21 to the various controllable components is indicated by dashed connections 21A.
- the controller 21 can be set up to set the phase imprinting in such a way that when it is irradiated into the partially transparent material of the workpiece, i.e. when the phase imprinted laser radiation is focused into the partially transparent material of the workpiece, a resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam 5 in the focal zone is at least approximately constant in the longitudinal direction z.
- the controller 21 can be set up to adjust the phase distribution of an adjustable diffractive optical element (SLM).
- SLM adjustable diffractive optical element
- the controller 21 can be set up, for example, to set a size of at least one of the beam cross-sectional areas R A , R_B, R_C and/or at least one of the intensity components I_A, I_B, I C .
- the adjustment can be made in particular such that several of the intensity components of the radiation take into account an intensity loss that occurs due to the linear absorption along an optical path from the respective beam cross-sectional area to the associated section 6A_T, 6B_T, 6C_T of the quasi-non-diffracting laser beam.
- the material in the associated sections 6A_T, 6B_T, 6C_T of the quasi-non-diffracting laser beam can be modified based on a non-linear absorption that depends on the intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the respective section.
- the controller 21 for setting the sizes of the intensity components I_A, I_B, I C (and/or the beam cross-sectional areas R A, R_B, R_C) can control the telescope arrangement 13 A to increase or decrease the beam diameter D of the raw laser beam 5 'on the beam shaping optics 15 .
- the controller 21 can be set up, for example, that for a material with a linear absorption that deviates from a linear absorption of the partially transparent material for which a phase imprint was designed, an adjustment of the transversal intensity distribution of the raw laser beam with an unchanged phase imprint ment is made to increase or decrease an intensity component of a raw laser beam intensity applied to one position of the plurality of positions, thereby compensating for the deviation in linear absorption.
- the laser radiation used for material processing ie the laser beam 5", the raw laser beam 5' and the laser beam 5 is defined by beam parameters such as wavelength, spectral width, temporal pulse shape, formation of pulse groups, beam diameter, transverse intensity profile, transverse input phase profile, input divergence and/or polarization.
- Exemplary parameters of laser radiation that can be used within the scope of this disclosure are:
- Laser pulse energies/energy of a laser pulse group e.g. in the mJ range and more, for example in the range between 20 pj and 5 mJ (e.g. 1200 pj), typically between 100 pj and 1 mJ
- Wavelength ranges IR, VIS, UV (e.g. 2 pm > k > 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
- Pulse duration a few picoseconds (e.g. 3 ps) and shorter, e.g. a few hundred or a few (tens) of femtoseconds
- Number of laser pulses in a burst e.g. 2 to 4 pulses (or more) per burst with a time interval in the burst of a few nanoseconds
- Number of laser pulses per modification one laser pulse or one burst for one modification Repetition rate: usually greater than 0.1 kHz, e.g. 10 kHz
- Length of the focal zone in the material greater than 20 pm, up to a few millimeters Diameter of the focal zone in the material: greater than 1 pm, up to 20 pm and more (resulting lateral extension of the modification in the material: greater than 100 nm, e.g. 300 nm or 1 pm , up to 20 pm and more)
- Feed d between two adjacent modifications at least the lateral extent of the modification in the direction of advance (usually at least twice the extent, for example four times the extent)
- the pulse duration refers to a single laser pulse.
- an exposure time refers to a group/burst of laser pulses that result in the formation of a single modification at a location in the material of the workpiece. If the exposure time, like the pulse duration, is short with respect to a given feed rate, one laser pulse and all laser pulses of a group of laser pulses contribute to a single modification at one location. At lower feed rates, continuous modification zones, which include modifications that border on one another and merge into one another, can also arise.
- the aforementioned parameter ranges can allow material processing with quasi-non-diffracting beams that protrude up to, for example, 20 mm and more (typically 100 ⁇ m to 10 mm) into a partially transparent workpiece.
- the laser beam 5" is fed to the optical beam shaping system 13 for beam shaping, i.e. for converting one or more of the beam parameters.
- the laser beam 5′′ and correspondingly the raw laser beam 5′ will be approximately a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile.
- the propagation of the laser radiation and in particular the optical beam shaping system 13 can be assigned an optical axis 9 which preferably runs through a point of symmetry of the beam shaping optics 15 (e.g. through a beam center position of an axicon (axicon tip) or a diffractive optical beam shaping element).
- the laser radiation is propagated along the optical axis 9.
- an intensity maximum of a transversal beam profile of the laser beam 5" can occur along the optical axis 9 of the optical beam shaping system 13.
- a correspondingly large area of the beam shaping optics 15 is illuminated.
- the optical beam shaping system 13 forms the quasi non-diffracting laser beam 5 from the raw laser beam 5 ′, which forms the focal zone 7 .
- a Bessel-Gaussian beam with an ordinary or inverse Bessel-beam-like beam profile can be generated by means of the beam shaping optics 15.
- the beam portions used for modification further downstream can be fed to the interaction zone at an adapted angle of incidence to the focal zone axis, so that the areas of the quasi-non-diffracting beam lying upstream are not irradiated.
- An example of such an energy input is the Bessel-Gaussian beam, which has an annular far-field distribution whose annular width is typically small compared to the radius (see panel (b) of Figure 1).
- the Interaction zone / focus zone axis radial beam components supplied essentially rotationally symmetrically with this predetermined angle.
- FIGS. 3D to 3F A consideration of the effect of the absorbent material property of a partially transparent workpiece 3 is summarized with reference to FIGS. 3D to 3F.
- the (radial) beam components arrive at an angle of incidence ⁇ in air or an angle of incidence (cone angle) ⁇ ' in the material onto the optical axis 9 of the laser beam.
- the angle of incidence ⁇ ' is given by .
- the quasi-nonlinear beam can form along the beam axis 9 in the workpiece 3 through interference of the incoming beam components over an entire thickness d of the partially transparent workpiece 3 .
- the linear absorption can be described by the "optical depth” according to .
- the absorption coefficient a results from it: !
- the linear absorption takes place along the optical paths up to positions x (in connection with FIGS. 3D to 3F the propagation of the laser radiation takes place in the x-direction) on the optical axis 9 .
- the associated path lengths are given by .
- FIG. 3E shows the exponential power decay P(x).
- the inversion of P(x) gives the required compensation
- Figure 3F shows the compensation function Pk(x) for the values discussed above by way of example.
- the profile of the compensation function in the partially transparent material corresponds to the required intensity profile on the optical axis 9 of the non-diffracting beam in the event that there is no linear absorption.
- the formation of a comparable intensity in the sections 6A_T, 6B_T, 6C_T of FIG. 3B requires that the contributing portions of the laser radiation 5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T introduce a comparable intensity entry into the corresponding sections of the quasi-non-diffracting beam. That is, the intensity components I_A, I_B, I C of the intensity of the raw laser beam 5' for the different sections 6A_T, 6B_T, 6C_T should be comparable if a comparable nonlinear absorption (for a comparable interaction with the material) is to take place in each of the sections.
- FIG. 4 illustrates the effect of the linear absorption when a homogenized Bessel beam is used for processing a partially transparent workpiece, which is generated with beam shaping optics designed for a transparent workpiece.
- An intensity longitudinal section 31A through a focal zone and an associated intensity curve 31B along the beam axis 9 of the homogenized Bessel beam can be seen, as would be present in the transparent workpiece.
- the maximum intensity along the beam axis 9 - as used with a transparent workpiece - is essentially constant over a significant length (indicated by lines 32A, 32B in Figure 4) of the quasi-non-diffracting beam.
- a dashed intensity profile 3 IC results, in which the intensity along the beam axis 9 decreases continuously with the penetration depth into the material due to the linear absorption.
- a dashed intensity curve 3 ID shows a corresponding one Reduction of the intensity for a modulated quasi-non-diffracting beam, which forms several comparable intensity maxima in the direction of propagation instead of a homogeneous intensity curve in the transparent material.
- FIG. 5 illustrates the method proposed here for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, the workpiece having a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam. Partial transparency means that the material has a linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, which is independent of an intensity of the laser radiation.
- the method includes step 101 of generating a raw laser beam for beam shaping.
- the generation of the raw laser beam can generate a laser beam with a laser system (in FIG. 2: laser source 11) with beam parameters that are designed for the material processing to be carried out (sufficient power, desired pulse duration, etc.).
- a geometric beam parameter such as a beam diameter of the raw laser beam can be adjusted to a beam shaping element provided for the phase imprinting, in particular the implemented two-dimensional phase distribution (for example in FIG. 2 with the beam adjustment optics 17A).
- the method also includes step 103, in which the raw laser beam (in Figure 2: raw laser beam 5') with a raw laser beam intensity (here the intensity of the entire raw laser beam 5') is fed into an optical beam shaping system for beam shaping (in Figure 2: the optical beam shaping system 13, which optionally includes the beam adjustment optics) is irradiated.
- the optical system is set up in such a way that the raw laser beam (after beam shaping has taken place) can form the quasi-non-diffracting laser beam with a focal zone extending in a longitudinal direction for the material processing of the workpiece in the workpiece.
- the optical beam shaping system is used to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam in such a way that the quasi-non-diffracting laser beam has an intensity distribution that is variable in the longitudinal direction at the focal zone. Due to the beam shaping, sections arranged in the direction of propagation (in Fig. 3: sections 6A, 6B, 6C) of the quasi-non-diffracting laser beam are separated from beam cross-sectional areas of the raw laser beam (in Fig. 2: for example the annular cross-sectional areas RA assigned to the beam portions 5A, 5B, 5C, R_B, R_C) shaped.
- intensity components in FIG. 2: intensity components I_A, I_B, IC
- I_A, I_B, IC intensity components of the raw laser beam intensity
- step 103 By irradiating (step 103) the raw laser beam into the beam-shaping optical system, beam-shaping of the raw laser beam (step 101A) is performed.
- a two-dimensional phase distribution is impressed (step 103A) (in particular with a diffractive optical beam-shaping element or with an axicon optics modified, e.g. (in the cone angle)) onto the beam cross-section of the raw laser beam 5' (formation of phase-impressed laser radiation).
- the imposed two-dimensional phase distribution causes the phase-impressed laser radiation from the beam cross-sectional areas of the raw laser beam to be fed to the sections of the quasi-non-diffracting laser beam arranged in the direction of propagation.
- phase imprinting is now to achieve an at least approximately constant intensity curve over a significant length of the focal zone in the workpiece, despite the partial transparency of the workpiece.
- phase imprint is set in such a way that a resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam is at least approximately constant in the longitudinal direction when radiating into the partially transparent material of the workpiece at the focal zone.
- the setting is made in such a way that when assigning the intensity components for the different positions of the focal zone (in the longitudinal direction), an intensity loss is taken into account in each case, which due to the linear absorption along an optical path from the respective beam cross-section area to the associated section of the quasi-non-diffractive laser beam enters.
- step 103 for example, for the generation of a quasi-non-diffracting laser beam with an aspect ratio of at least 1:10, in particular at least 1:100, a decrease in intensity along the quasi-non-diffracting laser beam due to the linear absorption can be compensated at least in sections.
- step 103 can include, for example, that when the quasi-non-diffracting laser beam is formed in a comparison material that has essentially no linear absorption, an intensity along the quasi-non-diffracting laser beam in the comparison material is variable, eg increasing.
- a phase imprint specifically taking into account the linear absorption can be set in the beam shaping system.
- phase increases to be impressed in the radial direction can be set in a plurality of beam cross-sectional areas (step 103A).
- geometric parameters (such as size and position) of the beam cross-section areas can be adjusted/adjusted in the phase imprint (step 103B).
- sizes of beam cross-sectional areas and/or positions of beam cross-sectional areas with respect to the raw laser beam, which are exposed to a uniform phase imprint can be adapted to predetermined intensity components of the raw laser beam.
- multiple phase increases in the radial direction can be implemented simultaneously in a beam cross-sectional area in order to deliver laser radiation to multiple positions along the optical axis from this beam cross-sectional area.
- a beam diameter of the raw laser beam can also be set at the beam shaping optics in order to set the intensity components of the raw laser beam assigned to the beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) (step 103C).
- the beam diameter can be enlarged or reduced in order to use a phase imprint, which was designed for an absorption other than linear absorption of a material to be processed, for the other linear absorption as well.
- a step 105 beam parameters of the laser beam such as pulse duration and pulse energy can be readjusted, so that the material of the workpiece is (structurally) modified in the quasi-non-diffracting beam.
- the phase-impressed laser radiation is focused into the partially transparent material of the workpiece; ie at least part of the quasi-non-diffracting laser beam is positioned in the workpiece in such a way that the linear absorption that occurs is at least partially compensated for by the phase imprint.
- a relative movement between the workpiece and the quasi-non-diffracting laser beam can be carried out, in which the quasi-non-diffracting laser beam is repeatedly positioned in the material of the workpiece along a scanning trajectory, so that an arrangement/arrangement of modifications in the material of the workpiece is written along the scanning trajectory.
- FIGS. 6A and 6B illustrate a modified geometry of an axicon for a homogenized Bessel-Gaussian beam for processing a partially transparent material.
- FIG. 6A shows a linear decrease in the thickness d of a conventional axicon with the distance from the optical axis 9.
- FIG. 6B shows a decrease in the thickness d for a correspondingly modified axicon.
- An initially (radially inward) greater decrease in the thickness d can be seen, followed by a slower decrease in the thickness d and again followed by a greater decrease in the thickness d.
- the variation in thickness d causes intensity components to be shifted/refracted backwards in the direction of propagation into the quasi-non-diffracting laser beam.
- the resulting homogenized intensity distribution in the partially transparent workpiece then preferably corresponds to the intensity distribution already shown in FIG. 4 for the processing of a substantially transparent material.
- a corresponding phase impression can alternatively or additionally be carried out reflectively or with a diffractive optical beam-shaping element.
- FIG. 6C shows a phase curve (calculated in a thin element approximation) oscillating between +7t and -7t, as can be simulated with phase shift values of a diffractive optical beam-shaping element.
- adjusting the phase imprinting with a diffractive optical beam-shaping element includes adjusting (sawtooth-shaped) phase increases in the radial direction that are imprinted on beam cross-sectional areas of the raw laser beam.
- FIG. 6C shows the phase curve corresponding to a phase imprint in a central region of the modified axicon of FIG. 6B; ie the phase profile reproduces the height profile of the modified axicon.
- Fig. 6B it is difficult to see how the oscillation of the phase shift values between +K and -7t varies in their oscillation frequency in the radial direction in order to understand the deviation from the fixed cone angle.
- FIG. 7 illustrates the formation of intensity distributions for the material processing of partially transparent workpieces with a rotationally symmetrical optical beam shaping system and correspondingly rotationally symmetrical laser beams and intensity distributions.
- FIG. 7 shows the raw laser beam 5' just before it hits a conventional axicon 15B or a modified axicon 15C. Furthermore, FIG. 7 shows intensity distributions in a schematized form as they result from the beam shaping, specifically applied upwards in a substantially transparent material, ie. H. without linear absorption (intensity I(-)), or plotted downwards in a partially transparent material, i. H. with linear absorption (intensity I (+)).
- the conventional axicon 15B forms a Bessel-Gaussian beam with a longitudinal intensity distribution BG l(-) in the transparent material and a deformed Bessel-Gaussian beam with a longitudinal intensity distribution BG_1(+ ) in the partially transparent material, where the intensity distribution BG_1(+) decreases faster than the intensity distribution BG_1(-) due to the linear absorption in the propagation direction.
- the modified axicon 15B can be modified, for example, in such a way that with an incident Gaussian beam with the intensity distribution G l and the corresponding beam diameter D l in the transparent material, a Bessel-Gaussian beam homogenized in the propagation direction with a homogenized intensity distribution BG h(-) (corresponding to 31B in Fig. 4). Also as indicated in FIG. 4, this homogenized intensity distribution is deformed due to the linear absorption during irradiation into a partially transparent material (intensity distribution BG_h(+); corresponding to 3 IC in FIG. 4).
- the homogenized intensity distribution BG h(-) can generate intensities over a length L(-) in Direction of propagation lead to a non-linear absorption / interaction with the transparent material. It can be seen from the intensity distribution BG_h(+) that this length is significantly reduced when irradiating a partially transparent material.
- the phase imprint i.e. in the example of the modified axicon the decrease in the thickness d of the axicon with the distance from the beam axis 9 and in the case of a diffractive optical element the setting of the phase shift values, can be adjusted in order to “redistribute the intensity components “ to cause an at least approximately constant intensity distribution in the longitudinal direction z.
- a harmonized intensity distribution BG_2h(+) can be formed in the partially transparent material.
- the homogenized intensity distribution BG_2h (+) can generate intensities which - provided that the corresponding beam parameters of the raw laser beam 5' have been irradiated - lead to a non-linear absorption/interaction with the partially transparent material over a length L(+) in the direction of propagation.
- the length L(+) can be dimensioned comparable to the length L(-). If such a phase-impressed laser beam were radiated into a transparent material, an intensity distribution BG_2(-) results along the quasi-non-diffracting laser beam, which increases with the penetration depth.
- the beam diameter of the incident raw laser beam 5' can be increased alternatively or additionally, for example with the telescope 17A (beam diameter D_2 in FIG. 7).
- This increases the intensity component in the cross-sectional areas R_B, R_C.
- the outer beam components contribute to the rear sections 6B_T, 6C_T of the quasi-non-diffracting laser beam in the phase imprint for the homogenized intensity distribution BG h(-)
- the absorption can be compensated for at least in sections in the partially transparent material.
- the intensity along the quasi-non-diffracting laser beam can be at least approximately constant (similar to the homogenized intensity distribution BG_2h (+)). In the transparent material, the intensity would be along the quasi-non-diffractive Laser beam increase (intensity distribution BG_2(-)). It is noted that the intensity profiles are shown schematically in FIG. 7 in order to indicate decreases or increases in intensity, with the exponential influences of the linear absorption also being indicated schematically.
- FIG. 8 illustrates details of a quasi-non-diffracting laser beam with a central intensity maximum generated in a partially transparent material.
- Figure (a) shows a section in the direction of propagation (z-direction), in which the pronounced central intensity maximum can be seen accompanied by radially outer (ring-shaped) secondary maxima.
- Figure (b) shows an intensity curve in the z-direction, which forms a plateau over essentially the entire length (homogenized intensity distribution).
- Figures (c1), (c2) and (c3) each show an intensity curve (beam profile) in a transversal section plane (x-y plane) at the beginning, in the middle and at the end of the plateau.
- This can be recognized, for example, by the diameter of the central maximum.
- the variations in the diameter of the central maximum are due to the fact that several angles of incidence contribute and a transverse extent of the quasi-non-diffracting laser beam depends on angles of incidence contributing to the optical axis at a longitudinal position of the focal zone.
- laser radiation directed at a first angle to the at least one position of the plurality of positions preferably has a phase difference of less than ⁇ 7t/4 with respect to laser radiation directed at a second angle to the (same) at least one position of the plurality is guided by positions.
- FIG. 8 show examples of central sections of diffractive optical elements/applied phase profiles for the formation of inverse Bessel-like beams.
- planar elements 15a adjoining each other are indicated, which build up a planar lattice structure.
- Each of the surface elements 15a is assigned a phase shift value which is applied to the laser radiation passing through.
- the phase shift values in the grating structure together form a phase mask through which the raw laser beam passes in order to experience a corresponding phase impression.
- Figure (d) belongs to a phase mask for implementing an ideal (inverse) axicon (the period in the sweep of the phase shift values does not change).
- a phase impression with such a diffractive optical element can be used to form an intensity distribution according to FIG. 1 image (f).
- Figure (e) belongs to a phase mask for implementing an (inverse) modified axicon (the periods in the sweep of the phase shift values are radius dependent).
- the phase distribution is designed in such a way that, with a specific beam diameter, longitudinal homogenization in the partially transparent workpiece can be expected, taking into account the associated absorption coefficient. Will be a bigger one If the beam diameter is chosen, an intensity profile of an inverse homogenized Bessel beam can be generated in a transparent material in a good approximation, which comes close to that shown in FIG.
- Fig. 9 shows a flowchart to explain a method for forming a beam shaping element, which is intended for use in material processing of a partially transparent workpiece in an optical system for shaping a quasi-non-diffracting laser beam (with an intensity distribution resulting from the phase imprint) from a raw laser beam .
- the aim is to set a phase imprint for a specified transversal intensity distribution of the raw laser beam, in particular a specified beam diameter of the raw laser beam, and a specified linear absorption of the partially transparent material of the workpiece.
- the phase curve of a phase mask which is produced with a diffractive optical element, can be determined with the method.
- the absorption behavior of the material to be processed is given. For example, by measuring the intensity Pd in FIG. 3D, a linear absorption parameter (the “optical depth T”) of the partially transparent material in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam can be provided (step 201). Based on this, one calculates (or sets) the target intensity distribution on the optical axis in the workpiece, which is required to modify the material eg over the entire thickness d or over a desired length (step 203).
- a target intensity distribution in the workpiece along an optical axis of the quasi-non-diffractive laser beam can be defined in such a way that the target intensity distribution has an intensity above an intensity threshold, at least in sections, which is dependent on a nonlinear absorption that is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case , is necessary for modifying the material of the workpiece at a plurality of positions along the optical axis.
- a transversal beam profile of the raw laser beam (intensity profile) is also to be specified, onto which the phase distribution is to be impressed (step 205).
- An optics design of an axicon-like element (e.g. modified refractive or reflective axicon or diffractive optic element) is then calculated for the target intensity distribution (step 207):
- phase imprint with an axicon (rise angle/phase rise is constant), it is divided into radial elements where the rise angle can be changed.
- a phase increase corresponds to an angle of arrival at which laser radiation is guided to the optical axis.
- adjustment of the slope angles can be carried out until the desired target intensity distribution is presented.
- iterative adjustment of the phase increases in the beam cross-section areas and calculation of the intensity distribution along the optical axis that results in the workpiece after the raw laser beam has passed through the optical system, taking into account the linear absorption parameter, until there is a phase distribution that compensates for the linear absorption and with which the target Intensity distribution along the optical axis in the workpiece results - step 207C
- the iteratively adapted phase increases of the phase distribution compensating for the linear absorption in conjunction with intensity components of the raw laser beam present in the beam cross-sectional areas can cause a redistribution of the laser radiation contributing to the quasi-non-diffracting laser beam along the optical axis to form the target intensity distribution.
- the beam-shaping element is provided with the phase distribution compensating for the linear absorption (step 209).
- a special height profile for an optical material/mirror can be derived from the compensating phase distribution in order to form a refractive or reflective optical axicon element with the height profile from the optical material as a thickness profile of an optical material or mirror profile.
- a diffractive conversion of the compensating phase distribution can be done with a diffractive optical element (e.g. a Fresnel-Axicon-like diffractive optical element whose phase shift values are fixed, or a spatial light modulator whose phase shift values have been adjusted according to the linear absorption compensating phase distribution).
- a diffractive optical element e.g. a Fresnel-Axicon-like diffractive optical element whose phase shift values are fixed, or a spatial light modulator whose phase shift values have been adjusted according to the linear absorption compensating phase distribution.
- the compensating phase distribution with the plurality of contributing cone angles means that the laser beam can be viewed as a plurality of sub-beams, wherein each of the sub-beams can have a different angle of arrival at which it enters the workpiece and approaches the optical axis.
- the angles of incidence determined according to the method depend on the position and the intensities in the respective cross-sectional areas of the raw laser beam.
- the beam cross-section areas of the raw laser beam include at least two annular beam cross-section areas.
- the phase slopes for the two annular shaped beam cross-sectional areas can be adjusted such that laser radiation from the two annular shaped beam cross-sectional areas is delivered to a common position of the plurality of positions at two different cone angles.
- beam cross-sectional area and associated "section of the quasi-non-diffracting beam” introduced herein to describe the concepts and their identification in the figures do not force a fixed assignment of a surface area to a section. Rather, a beam cross-sectional area of a diffractive optical beam-shaping element can also supply several sections of the quasi-non-diffracting beam with laser radiation if, for example, diffraction structures are superimposed.
- a beam cross-sectional area of a diffractive optical beam-shaping element can also supply several sections of the quasi-non-diffracting beam with laser radiation if, for example, diffraction structures are superimposed.
- discrete sections there is no limitation to discrete sections must be made, but that continuous sections are also included as a borderline case, see the example shown in FIG. 7 of the modified axicon with a homogenized intensity distribution.
- a quasi-non-diffracting laser beam can bring about a modification in the material that extends over the entire length of the quasi-non-diffracting laser beam.
- a linear array/array or, for example, planar array of modification zones can also be created with the quasi-non-diffractive laser beam.
- beam shaping can be used which, for example, generates a row of local intensity maxima in the direction of propagation (see FIG. 4).
- the intensity maxima can be limited by an envelope profile.
- the envelope profile can also be shaped and, for example, correspond in its course to the intensity courses shown in FIG.
- a partially transparent workpiece can be present, into which a plurality of spaced or merging modifications have been introduced.
- the modifications may additionally form cracks in the material extending between adjacent modifications or generally randomly from one of the modifications into the material of the workpiece.
- a phase imprint can be carried out, e.g. with a diffractive optical element, which leads to an intensity distribution in the focal zone that has an asymmetric (e.g. in one direction flattened) modification or several modifications running parallel to each other (see image (c) of Fig. 1).
- the modification or the arrangement of modifications can be generated with a laser pulse or a group of laser pulses.
- Exemplary phase impressions and intensity distributions are, for example, in the German patent application 10 2019 128 362.0, "Segmented beam shaping element and laser processing system", with the application date October 21, 2019 by the applicant and in Chen et al., "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams", arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 revealed.
- Such asymmetric modifications or arrays of modifications can also be combined with the concepts disclosed herein for processing partially transparent materials.
- beam shaping which must be carried out for such asymmetric modifications, can be combined with phase imprinting, which can compensate for the influence on the intensity along the quasi-non-diffracting beam during propagation through the material.
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Abstract
The invention relates to a method for machining the material of a workpiece (9) using a virtually non-diffracting laser beam (5), said workpiece (3) having a material which is partly transparent to the virtually non-diffracting laser beam (5) and has a linear absorption. The method has the steps of: irradiating (step 103) a raw pulsed laser beam (5') into an optical beam shaping system (13) in order to form a virtually non-diffracting laser beam (5) with a focal zone (7) extending in a longitudinal direction (z) for machining the material of the workpiece (3), wherein a phase is imprinted on the beam cross-section of the raw laser beam (5') by means of the optical beam forming system (13) in order to form phase-imprinted laser radiation (5_PH), and focusing (step 107) the phase-imprinted laser radiation (5_PH) onto the partly transparent material of the workpiece (3) so that the virtually non-diffracting laser beam (5) is formed and the focal zone (7) has an intensity distribution which can be adjusted along the longitudinal direction (z). The phase impression is set such that when the phase-imprinted laser radiation is focused onto the partly transparent material of the workpiece (3), the resulting intensity distribution (BG_2h(+)) of the virtually non-diffracting laser beam (5) on the focal zone (7) is at least approximately constant in the longitudinal direction (z).
Description
LASERBEARBEITUNG EINES TEILTRANSPARENTEN WERKSTÜCKS MIT EINEM LASER MACHINING OF A PARTIALLY TRANSPARENT WORKPIECE WITH A
QUASI-NICHTBEUGENDEN LASERSTRAHL QUASI-NON-DIFFRACING LASER BEAM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Strahl. Ferner betrifft die Erfindung eine La- serb earb eitungsanl age . The present invention relates to a method for material processing of a partially transparent workpiece with a quasi-non-diffracting beam. Furthermore, the invention relates to a laser processing system.
Unabhängig von der linearen Absorption kann ein Werkstück mithilfe der nichtlinearen Absorption von hochintensiver Laserstrahlung bearbeitet werden. Dazu können eine oder mehrere Modifikationen in einem Werkstück mit der hochintensiven Laserstrahlung erzeugt werden, wenn eine nichtlineare Absorption der hochintensiver Laserstrahlung im Material des Werkstücks eintritt. Modifikationen können sich auf die Struktur des Materials auswirken und beispielsweise zum Bohren, zum Trennen durch induzierte Spannungen, zum Bewirken einer Modifikation des Brechungsverhaltens oder für selektives Laserätzen eingesetzt werden. Siehe hierzu zum Beispiel die Anmeldungen WO 2016/079062 Al, WO 2016/079063 Al und WO 2016/079275 Al der Anmelderin im Bereich der Bearbeitung von im Wesentlichen transparenten Werkstücken. Strahlformungselemente und optische Systeme, mit denen in Strahlpropagationsrichtung langgezogene, schlanke Strahlprofile mit einem hohen Aspektverhältnis für die Laserbearbeitung bereitgestellt werden können, werden z.B. in der genannten WO 2016/079275 Al beschrieben. Regardless of the linear absorption, a workpiece can be processed using the non-linear absorption of high-intensity laser radiation. For this purpose, one or more modifications can be produced in a workpiece with the high-intensity laser radiation if non-linear absorption of the high-intensity laser radiation occurs in the material of the workpiece. Modifications can affect the structure of the material and can be used, for example, for drilling, cutting by induced stresses, effecting a modification of the refractive behavior or for selective laser etching. See, for example, the applications WO 2016/079062 A1, WO 2016/079063 A1 and WO 2016/079275 A1 of the applicant in the field of processing essentially transparent workpieces. Beam-shaping elements and optical systems with which long, slim beam profiles can be provided in the beam propagation direction with a high aspect ratio for laser processing are described, for example, in WO 2016/079275 A1.
Bei teiltransparenten Werkstücken liegt eine lineare Absorptionsfähigkeit des Materials des Werkstücks hinsichtlich Laserstrahlung vor. Beispielsweise weisen teiltransparenten Werkstücke eine Absorption (unabhängig von der Intensität der eingestrahlten Laserstrahlung) mit Absorptionskoeffizienten im Bereich von ca. 0,1/mm bis ca. 2,5/mm auf, entsprechend typischen Transmissionen im Bereich von 90 % bis 10 % pro Millimeter Materi al dicke, beispielsweise 60 % pro 1 mm Glasdicke. Eine Laserbearbeitung von teiltransparenten Werkstücken unterscheidet sich von der Laserbearbeitung eines Materials, das im Wesentlichen transparent für die Laserstrahlung ist, d.h., eine vernachlässigbare lineare Absorption aufweist, darin, dass die im Material propagierende Laserstrahlung vom Material zusätzlich linear absorbiert wird. Somit wird umso mehr Laserstrahlung absorbiert, je weiter die Laserstrahlung durch das Material propagiert.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks mit einer in Propagationsrichtung langgezogenen Fokuszone zu ermöglichen. Insbesondere sollen Strahlformungsansätze, wie sie für die Laserbearbeitung von transparenten Werkstücken entwickelt wurden, auch bei teiltransparenten Werkstücken einsetzbar werden. In the case of partially transparent workpieces, the material of the workpiece has a linear absorption capacity with regard to laser radiation. For example, partially transparent workpieces have an absorption (independent of the intensity of the irradiated laser radiation) with absorption coefficients in the range from approx. 0.1/mm to approx. 2.5/mm, corresponding to typical transmissions in the range from 90% to 10% per millimeter Material thickness, for example 60% per 1 mm glass thickness. Laser processing of partially transparent workpieces differs from laser processing of a material that is essentially transparent to the laser radiation, ie has negligible linear absorption, in that the laser radiation propagating in the material is also linearly absorbed by the material. Thus, the more laser radiation is absorbed, the further the laser radiation propagates through the material. One aspect of this disclosure is based on the object of enabling laser processing of a partially transparent workpiece with a focal zone that is elongated in the direction of propagation. In particular, beam shaping approaches, such as those developed for the laser processing of transparent workpieces, should also be applicable to partially transparent workpieces.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 1, durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14 und durch ein Verfahren zum Ausbilden eines Strahlformungselements nach Anspruch 19. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. At least one of these objects is achieved by a method for material processing of a workpiece according to claim 1, by a laser processing system according to claim 14 and by a method for forming a beam shaping element according to claim 19. Further developments are specified in the dependent claims.
In einem Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi -nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, die Schritte: One aspect of this disclosure includes a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, the workpiece having a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, which is independent of a laser radiation intensity, the steps:
Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks, wobei mit dem optischen Strahlformungssystem eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls zur Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung vorgenommen wird, undRadiation of a pulsed raw laser beam into an optical beam shaping system to form a quasi-non-diffracting laser beam with a focal zone extending in a longitudinal direction for the material processing of the workpiece, with the optical beam shaping system being used to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam to form phase-impressed laser radiation, and
Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks, sodass der quasi -nichtbeugende Laserstrahl ausgebildet wird und die Fokuszone eine entlang der Längsrichtung einstellbare Intensitätsverteilung aufweist, wobei die Phasenaufprägung derart eingestellt ist, dass beim Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist. Focusing of the phase-imposed laser radiation in the partially transparent material of the workpiece, so that the quasi-non-diffracting laser beam is formed and the focus zone has an intensity distribution that can be adjusted along the longitudinal direction, the phase imprint being set in such a way that when the phase-imposed laser radiation is focused in the partially transparent material of the workpiece, resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam in the focal zone is at least approximately constant in the longitudinal direction.
In einem weiteren Aspekt betrifft diese Offenbarung eine Laserbearbeitungsanlage für eine Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Intensität der Laserstrahlung unabhängig ist. Die
Laserbearbeitungsanlage umfasst eine Laserstrahlquelle, die einen gepulsten Laserstrahl ausgibt, und ein optisches Strahlformungssystem zur Strahlformung des Laserstrahls für die Ausbildung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone. Das optische Strahlformungssystem umfasst eine Strahlanpassungsoptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl als Rohlaserstrahl mit einem Strahldurchmesser auszugeben, und ein Strahlformungselement, das dazu eingerichtet ist, eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls zur Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung für einen vorgegebenen Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls derart vorzunehmen, dass beim Fokussieren der phasenaufgeprägter Laserstrahlung (5_PH) in das teiltransparente Material des Werkstücks (3) der quasi-nichtbeugende Laserstrahl (5) mit einer resultierenden Intensitätsverteilung erzeugt wird, die in der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst ferner eine Werkstückhalterung zur Lagerung des Werkstücks, wobei das optische Strahlformungssystem und/oder die Werkstückhalterung dazu eingerichtet sind, eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zu bewirken, bei der der quasi-nichtbeugende Laserstrahl entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks positioniert wird. In a further aspect, this disclosure relates to a laser processing system for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, wherein the workpiece has a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam. which is independent of an intensity of the laser radiation. the Laser processing equipment includes a laser beam source that outputs a pulsed laser beam, and a beam shaping optical system for beam shaping the laser beam to form the quasi-non-diffractive laser beam having a focal zone extending in a longitudinal direction. The optical beam shaping system includes beam adjustment optics that are set up to output the laser beam as a raw laser beam with a beam diameter, and a beam shaping element that is set up to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam to form phase-impressed laser radiation for a predetermined beam diameter of the raw laser beam that when the phase-impressed laser radiation (5_PH) is focused into the partially transparent material of the workpiece (3), the quasi-non-diffracting laser beam (5) is generated with a resulting intensity distribution that is at least approximately constant in the longitudinal direction in the focal zone. The laser processing system also includes a workpiece holder for storing the workpiece, with the optical beam shaping system and/or the workpiece holder being set up to bring about a relative movement between the workpiece and the quasi-non-diffracting laser beam, in which the quasi-non-diffracting laser beam moves along a scanning trajectory in the material of the workpiece is positioned.
In einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, die Schritte: In a further aspect of this disclosure includes a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, wherein the workpiece has a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam is independent of a laser radiation intensity, the steps:
Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks, wobei mittels des optischen Strahlformungssystems eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart erfolgt, dass der quasi-nichtbeugende Laserstrahl an der Fokuszone eine in der Längsrichtung einstellbare, insbesondere variierend eingestellt wie variable Intensitätsverteilung aufweist, und Radiation of a pulsed raw laser beam into an optical beam-shaping system to form a quasi-non-diffracting laser beam with a focal zone extending in a longitudinal direction for the material processing of the workpiece, with the optical beam-shaping system being used to impress a phase on a beam cross-section of the raw laser beam in such a way that the quasi-non-diffracting laser beam has an intensity distribution on the focal zone that can be adjusted in the longitudinal direction, in particular adjusted to vary, such as a variable intensity distribution, and
Einstellen der Phasenaufprägung derart, dass eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls beim Einstrahlen in das teiltransparente Material des Werkstücks an der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist.
In einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, die Schritte: Adjusting the phase imprinting in such a way that a resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam is at least approximately constant in the longitudinal direction when radiating into the partially transparent material of the workpiece at the focal zone. In a further aspect of this disclosure, a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam comprises, the workpiece having a material which is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and which has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam is independent of a laser radiation intensity, the steps:
Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem, das zur Ausgabe von phasenaufgeprägter Laserstrahlung für die Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks eingerichtet ist, wobei mittels des optischen Strahlformungssystems eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart erfolgt, dass der quasi -nichtbeugende Laserstrahl in der Fokuszone ohne Berücksichtigung von linearer Absorption eine in der Längsrichtung variable Intensitätsverteilung aufweist,Radiation of a pulsed raw laser beam into an optical beam shaping system, which is set up to output phase-impressed laser radiation for the formation of a quasi-non-diffracting laser beam with a focal zone extending in a longitudinal direction for the material processing of the workpiece, with the optical beam shaping system being used to impress a phase on a beam cross-section of the Raw laser beam takes place in such a way that the quasi-non-diffracting laser beam in the focal zone has an intensity distribution that is variable in the longitudinal direction, without taking into account linear absorption,
Einstellen der Phasenaufprägung derart, dass bei einem Einstrahlen der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist, und Adjusting the phase imprinting such that when the phase imprinted laser radiation is irradiated into the partially transparent material of the workpiece, a resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam in the focal zone is at least approximately constant in the longitudinal direction, and
Einstrahlen der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks zum Ausbilden des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls für die Materialbearbeitung. Radiating the phase-impressed laser radiation into the partially transparent material of the workpiece to form the quasi-non-diffracting laser beam for material processing.
Ein weiterer Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Ausbilden eines, insbesondere diffraktiven optischen, Strahlformungselements, das zur Verwendung bei der Materialbearbeitung eines Werkstücks in einem optischen Strahlformungssystem für die Strahlformung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls aus einem Rohlaserstrahl vorgesehen ist, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Another aspect of this disclosure includes a method for forming a, in particular diffractive optical, beam-shaping element that is intended for use in material processing of a workpiece in an optical beam-shaping system for beam-shaping a quasi-non-diffracting laser beam from a raw laser beam, the workpiece being a quasi-non-diffracting laser beam has partially transparent material that has a linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, which is independent of a laser radiation intensity. The procedure includes the steps:
Bereitstellen eines linearen Absorptionsparameters des teiltransparenten Materials im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls, insbesondere durch Messung eines linearen Absorptionsparameters; providing a linear absorption parameter of the partially transparent material in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, in particular by measuring a linear absorption parameter;
Festlegen einer Ziel-Intensitätsverteilung als zu erreichende resultierende Intensitätsverteilung im Werkstück entlang einer optischen Achse des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls, bei der zum Modifizieren des Materials des Werkstücks an einer Mehrzahl von
Positionen entlang der optischen Achse zumindest abschnittsweise eine Intensität der Ziel-Intensitätsverteilung über einer Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption liegt, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist;Defining a target intensity distribution as the resultant intensity distribution to be achieved in the workpiece along an optical axis of the quasi-non-diffracting laser beam, in which for modifying the material of the workpiece at a plurality of Positions along the optical axis, at least in sections, an intensity of the target intensity distribution is above an intensity threshold for non-linear absorption, which is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case;
Vorgeben eines transversalen Strahlprofils, insbesondere eines Strahldurchmessers, des Rohlaserstrahls, auf das eine zweidimensionale Phasenverteilung aufzuprägen ist; Specification of a transversal beam profile, in particular a beam diameter, of the raw laser beam onto which a two-dimensional phase distribution is to be impressed;
Berechnen einer zweidimensionalen Phasenverteilung für das transversale Strahlprofil durch: Calculate a two-dimensional phase distribution for the transverse beam profile by:
- Unterteilen des transversalen Strahlprofils in, insbesondere ringförmig ausgebildete, Strahl querschnittsb er ei ehe, - Subdividing the transversal beam profile into, in particular ring-shaped, beam cross-sectional areas,
- Zuordnen von, insbesondere identischen linearen, Phasenanstiegen in radialer Richtung über die Strahlquerschnittsbereiche als Anfangsphasenverteilung, und - assignment of, in particular identical linear, phase increases in the radial direction over the beam cross-section areas as the initial phase distribution, and
- iteratives Anpassen der Phasenanstiege in den Strahlquerschnittsbereiche und Berechnen der sich im Werkstück nach Durchstrahlen des optischen Strahlformungssystems mit dem Rohlaserstrahl ergebenden Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse unter Berücksichtigung von durch den linearen Absorptionsparameter gegebener linearer Absorption solange, bis eine die lineare Absorption kompensierende zweidimensionale Phasenverteilung vorliegt, mit der sich die Ziel-Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse im Werkstück als resultierende Intensitätsverteilung ergibt; und- Iterative adjustment of the phase increases in the beam cross-section areas and calculation of the intensity distribution along the optical axis that results in the workpiece after the raw laser beam has passed through the optical beam shaping system, taking into account the linear absorption given by the linear absorption parameter, until a two-dimensional phase distribution that compensates for the linear absorption is present, with which the target intensity distribution along the optical axis in the workpiece results as the resulting intensity distribution; and
Versehen des Strahlformungselements mit der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung. Providing the beam-shaping element with the linear absorption-compensating two-dimensional phase distribution.
In einem weiteren Aspekt betrifft diese Offenbarung ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist. Das Verfahren umfasst die Schritte: In a further aspect, this disclosure relates to a method for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, the workpiece having a material which is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam and which has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam is independent of a laser radiation intensity. The procedure includes the steps:
Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem zur Strahlformung des Rohlaserstrahls, wobei das optische Strahlformungssystem dazu eingerichtet ist, eine Phasenaufprägung auf einen Strahl querschnitt des Rohlaserstrahls derart vorzunehmen, dass Laserstrahlung des Rohlaserstrahls zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse angeordneten Positionen im Werkstück in einem Einlaufwinkelbereich (von beispielsweise ca. 5° bis ca. 25° im teiltransparenten Material - entsprechend bis ca. 40° in Luft) bezüglich der optischen Achse geführt wird und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl an der Mehrzahl von Positionen ausbildet, wobei Intensitätsverluste aufgrund der linearen
Absorption bei der Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten, und Radiation of a pulsed raw laser beam into an optical beam shaping system for beam shaping of the raw laser beam, wherein the optical beam shaping system is set up to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam in such a way that laser radiation of the raw laser beam is directed to a plurality of positions in the workpiece arranged along an optical axis in one Entry angle range (from, for example, approx. 5° to approx. 25° in the partially transparent material - corresponding to approx. 40° in air) with respect to the optical axis and forms the quasi-non-diffracting laser beam at the majority of positions, with intensity losses due to the linear Absorption occur during the propagation of the laser radiation in the partially transparent material to the plurality of positions, and
Einstellen der Phasenaufprägung derart, dass Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils im teiltransparenten Material vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, überschritten wird. Adjusting the phase imprinting in such a way that laser radiation is guided at several angles from the angle of incidence range to at least one position of the plurality of positions, so that in the partially transparent material at the plurality of positions, despite the intensity losses that occur, an intensity threshold for nonlinear absorption is Material present laser radiation intensity depends is exceeded.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart eingestellt sein, dass Laserstrahlung zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse angeordneten Positionen im Werkstück in einem Einlaufwinkelbereich, der insbesondere Einlaufwinkel im Bereich von beispielsweise ca. 5° bis ca. 25° im teiltransparenten Material des Werkstücks - entsprechend bis ca. 40° in Luft - umfasst, bezüglich der optischen Achse geführt wird und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl mit der resultierenden Intensitätsverteilung an der Mehrzahl von Positionen ausbildet, wobei Intensitätsverluste aufgrund der linearen Absorption bei einer Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten. Die Phasenaufprägung kann derart eingestellt sein, dass an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption überschritten wird, wobei die nichtlineare Absorption im teiltransparenten Material von einer jeweils vorliegenden Intensität der Laserstrahlung abhängig ist. In some developments of the method, the phase imprinting on the beam cross-section of the raw laser beam can be set in such a way that laser radiation reaches a plurality of positions in the workpiece arranged along an optical axis in an angle of arrival, which in particular is in the range of, for example, approx. 5° to approx ° in the partially transparent material of the workpiece - corresponding to approx. 40° in air - is guided with respect to the optical axis and forms the quasi-non-diffracting laser beam with the resulting intensity distribution at the majority of positions, with intensity losses due to linear absorption during propagation of the laser radiation in the partially transparent material to enter the plurality of positions. The phase imprint can be set in such a way that at least one position of the plurality of positions laser radiation is guided at several angles out of the angle of incidence range, so that in the partially transparent material at the plurality of positions an intensity threshold for non-linear absorption is exceeded despite the intensity losses that occur, wherein the non-linear absorption in the partially transparent material depends on the respective intensity of the laser radiation.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann Laserstrahlung, die unter einem ersten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, einen Phasenunterschied von weniger als Pi/4 bezüglich Laserstrahlung, die unter einem zweiten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Phasenaufprägung derart eingestellt sein, dass die Laserstrahlung rotationssymmetrisch an die Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass jeder der mehreren Winkel einen lokalen Konuswinkel darstellt.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann das Einstellen der Phasenaufprägung ein Einstellen von Phasenanstiegen in radialer Richtung, die auf Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls aufgeprägt werden, und/oder ein Einstellen von geometrischen Parametern von Strahlquerschnittsbereichen, in denen ein oder mehrere Phasenanstiege aufgeprägt werden, umfassen. In some developments of the method, laser radiation directed at a first angle to the at least one position of the plurality of positions can have a phase difference of less than Pi/4 with respect to laser radiation directed at a second angle to the at least one position of the plurality of positions is performed, has. Alternatively or additionally, the phase imprinting can be set in such a way that the laser radiation is guided in a rotationally symmetrical manner to the plurality of positions, so that each of the plurality of angles represents a local cone angle. In some developments of the method, adjusting the phase imprint can include adjusting phase increases in the radial direction, which are imprinted on beam cross-sectional areas of the raw laser beam, and/or adjusting geometric parameters of beam cross-sectional areas in which one or more phase increases are imprinted.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens können die Strahlquerschnittsbereiche mindestens zwei ringförmig oder ringabschnittförmig ausgebildete Strahlquerschnittsbereiche umfassen und die Phasenanstiege für die zwei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereiche derart eingestellt werden, dass Laserstrahlung von den zwei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereichen einer gemeinsamen Position der Mehrzahl von Positionen unter zwei unterschiedlichen Konuswinkeln zugeführt wird. In some developments of the method, the beam cross-sectional areas can comprise at least two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas and the phase increases for the two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas can be set in such a way that laser radiation from the two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas of a common position of the plurality of positions among two different cone angles is supplied.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann zusätzlich zum Einstellen der Phasenaufprä- gung in Strahlquerschnittsbereichen ein Einstellen von den Intensitätsanteilen einer Rohlaserstrahlintensität, die den Strahlquerschnittsbereichen zugeordnet sind, vorgenommen werden, um die resultierende Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone zu bewirken. In some developments of the method, in addition to setting the phase imprint in beam cross-section areas, the intensity components of a raw laser beam intensity that are assigned to the beam cross-section areas can also be set in order to bring about the resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam in the focal zone.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Phasenaufprägung für eine vorgegebene transversale Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls, insbesondere einen vorgegebenen Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls, und eine vorgegebene lineare Absorption des teiltransparenten Materials des Werkstücks eingestellt werden. Für ein Material mit einer linearen Absorption, die von der vorgegebenen linearen Absorption des teiltransparenten Materials abweicht, kann bei unveränderter Phasenaufprägung die transversale Intensitätsverteilung, insbesondere ein Strahldurchmesser, des Rohlaserstrahls eingestellt werden, um einen Intensitätsanteil einer Rohlaserstrahlintensität, der einer Position der Mehrzahl von Positionen zugeführt wird, zu erhöhen oder zu verkleinern. In some developments of the method, the phase imprinting can be adjusted for a predefined transversal intensity distribution of the raw laser beam, in particular a predefined beam diameter of the raw laser beam, and a predefined linear absorption of the partially transparent material of the workpiece. For a material with a linear absorption that deviates from the specified linear absorption of the partially transparent material, the transversal intensity distribution, in particular a beam diameter, of the raw laser beam can be adjusted with unchanged phase imprinting, by an intensity component of a raw laser beam intensity that is supplied to one position of the plurality of positions will increase or decrease.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Phasenaufprägung derart eingestellt werden, dass eine Intensitätsabnahme des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls aufgrund der linearen Absorption im teiltransparenten Material zumindest abschnittsweise kompensiert wird.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die resultierende Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls entlang der optischen Achse eine Intensitätsverteilung oder eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung aufweisen, die Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls im Bereich von bis zu 10 % umfasst, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf den Teil der Fokuszone bezieht, in dem eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. Optional kann die Intensitätsverteilung oder die Einhüllenden-Intensitätsverteilung insbesondere im Wesentlichen konstant sein. In some developments of the method, the phase imprint can be set in such a way that a decrease in intensity of the quasi-non-diffracting laser beam due to the linear absorption in the partially transparent material is compensated for at least in sections. In some developments of the method, the resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam along the optical axis can have an intensity distribution or an envelope intensity distribution that includes deviations from an average intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the range of up to 10%, with the average intensity refers to the part of the focal zone where there is a non-linear interaction with the material of the workpiece. Optionally, the intensity distribution or the envelope intensity distribution can in particular be essentially constant.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann basierend auf der nichtlinearen Absorption an einer Mehrzahl von Positionen in der Fokuszone trotz der eintretenden Intensitätsverluste das teiltransparente Material modifiziert werden. Die Modifikation des teiltransparenten Materials können sich über eine Länger des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls erstrecken oder aus einer Aufreihung von Modifikationszonen entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls bestehen. In some developments of the method, the partially transparent material can be modified based on the non-linear absorption at a plurality of positions in the focus zone, despite the intensity losses that occur. The modification of the partially transparent material can extend over a length of the quasi-non-diffracting laser beam or consist of a series of modification zones along the quasi-non-diffracting laser beam.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann als Rohlaserstrahl ein Laserstrahl mit einem Gaußschen transversalen Intensitätsprofil eingesetzt werden und das optische Strahlformungssystem kann dazu eingerichtet sein, einen Bessel-Gauß-Strahl als quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zu formen. Zusätzlich oder alternativ kann sich ein transversales Ausmaß des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone entlang der optischen Achse ändern und/oder ein transversales Ausmaß des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls kann an einer Position der Fokuszone von Einfallswinkeln abhängen, mit der Laserstrahlung zur Ausbildung des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls an der Position der Fokuszone auf die optische Achse einfällt. In some developments of the method, a laser beam with a Gaussian transverse intensity profile can be used as the raw laser beam, and the optical beam shaping system can be set up to shape a Bessel-Gaussian beam as a quasi-non-diffracting laser beam. Additionally or alternatively, a transverse extent of the quasi-non-diffractive laser beam in the focal zone can change along the optical axis and/or a transverse extent of the quasi-non-diffractive laser beam can depend on angles of incidence at a position of the focal zone, with which laser radiation is used to form the quasi- non-diffractive laser beam is incident on the optical axis at the position of the focal zone.
In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner folgende Schritte umfassen: In some developments, the method can also include the following steps:
Einstellen von Strahlparametem des Rohlaserstrahls derart, dass das teiltransparente Material des Werkstücks modifiziert wird, Setting beam parameters of the raw laser beam in such a way that the partially transparent material of the workpiece is modified,
Positionieren zumindest eines Abschnitts des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im Werkstück oder Positioning at least a portion of the quasi-non-diffractive laser beam in the workpiece or
Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, bei der der quasi-nichtbeugende Laserstrahl entlang einer Abtasttrajekto- rie im Werkstück bewegt wird, sodass eine Aufreihung von Modifikationen in das Werkstück entlang der Abtasttrajektorie eingeschrieben wird.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann das optische Strahlformungssystem ein dif- fraktives optisches Strahlformungselement umfassen und das diffraktive optische Strahlformungselement kann aneinander angrenzende Flächenelemente aufweisen, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen und denen jeweils ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, wobei die Phasenschiebungswerte eine zweidimensionale Phasenverteilung entsprechend der eingestellten Phasenaufprägung definieren. Beim Einstrahlen des Rohlaserstrahls in das optische Strahlformungssystem kann die Phasenaufprägung mit dem diffraktiven optischen Strahlformungselement bewirkt werden, indem die Phasenverteilung auf den Rohlaserstrahl aufgeprägt wird. Bringing about a relative movement between the workpiece and the quasi-non-diffracting laser beam, in which the quasi-non-diffracting laser beam is moved along a scanning trajectory in the workpiece, so that a series of modifications is written into the workpiece along the scanning trajectory. In some developments of the method, the optical beam-shaping system can include a diffractive optical beam-shaping element and the diffractive optical beam-shaping element can have surface elements that adjoin one another, which build up a surface grating structure and to which a phase shift value is assigned, the phase shift values having a two-dimensional phase distribution corresponding to the set phase impression define. When the raw laser beam is radiated into the optical beam-shaping system, the phase imprinting can be effected with the diffractive optical beam-shaping element by impressing the phase distribution on the raw laser beam.
Allgemein kann das optische Strahlformungssystem ein Strahlformungselement umfassen, das nach dem hierin offenbarten Verfahren zum Ausbilden eines Strahlformungselements ausgebildet wurde. In general, the beam-shaping optical system may include a beam-shaping element formed according to the method of forming a beam-shaping element disclosed herein.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements können die iterativ angepassten Phasenanstiege in Verbindung mit in den Strahlquerschnittsbereichen vorliegenden Intensitätsanteilen des Rohlaserstrahls eine Umverteilung der zum quasi- nichtbeugenden Laserstrahl beitragenden Laserstrahlung entlang der optischen Achse zur Ausbildung der Ziel-Intensitätsverteilung bewirken. In some developments of the method for forming a beam-shaping element, the iteratively adapted phase increases in conjunction with intensity components of the raw laser beam present in the beam cross-section areas can cause a redistribution of the laser radiation contributing to the quasi-non-diffracting laser beam along the optical axis to form the target intensity distribution.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements ein Phasenanstieg einem Winkel entsprechen, unter dem Laserstrahlung zur optischen Achse geführt wird. Die die lineare Absorption kompensierende zweidimensionale Phasenverteilung kann derart iterative bestimmt werden, dass Laserstrahlung zu mindestens einer Position einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse unter mehreren Winkeln geführt wird. In some developments of the method for forming a beam-shaping element, a phase increase corresponds to an angle at which the laser radiation is guided to the optical axis. The two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption can be determined iteratively in such a way that laser radiation is guided to at least one position of a plurality of positions along the optical axis at a plurality of angles.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements kann das Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente aufweisen, die mit Phasenschiebungswerten versehen werden, die entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung eingestellt sind. Insbesondere kann das Strahlformungselement als ein Fresnel-Axicon-ähnliches diffraktives optisches Element, dessen Phasenschiebungswerte fest eingestellt sind, oder als ein räumlicher Lichtmodulator, dessen Phasenschiebungswerte entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung eingestellt wurden, ausgeführt sein.
In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren zum Ausbilden eines Strahlformungselements ferner umfassen: In some developments of the method for forming a beam-shaping element, the beam-shaping element can have surface elements which adjoin one another and are provided with phase shift values which are set in accordance with the two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption. In particular, the beam-shaping element can be embodied as a Fresnel-Axicon-like diffractive optical element whose phase shift values are fixed, or as a spatial light modulator whose phase shift values have been adjusted according to the phase distribution compensating for the linear absorption. In some developments, the method for forming a beam-shaping element can also include:
Ableiten eines Höhenprofils, insbesondere eines Dickenprofils eines optischen Materials oder eines Spiegelprofils, aus der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung, wobei eine lokale Höhe einem lokalen Phasenschiebungswert entspricht, und Deriving a height profile, in particular a thickness profile of an optical material or a mirror profile, from the two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption, a local height corresponding to a local phase shift value, and
Ausbilden einer refraktiven oder reflektiven Axicon-Optik mit dem Höhenprofil als das Strahlformungselement. forming a refractive or reflective axicon optic with the height profile as the beam shaping element.
In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann die Phasenaufprägung auf einen Strahl quer schnitt des Rohlaserstrahls derart mit dem Strahlformungselement eingestellt sein, dass Laserstrahlung des Rohlaserstrahls zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse angeordneten Positionen im Werkstück in einem Einlaufwinkelbereich bezüglich der optischen Achse geführt wird und den quasi -nichtbeugenden Laserstrahl an der Mehrzahl von Positionen ausbildet. Intensitätsverluste können aufgrund der linearen Absorption bei der Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten, wobei die Phasenaufprägung ferner derart eingestellt sein kann, dass Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, überschritten wird. In some developments of the laser processing system, the phase imprinting on a beam cross-section of the raw laser beam can be adjusted with the beam-shaping element in such a way that laser radiation of the raw laser beam is guided to a plurality of positions in the workpiece arranged along an optical axis in an angle of arrival range with respect to the optical axis and the quasi - forms non-diffracting laser beam at the plurality of positions. Intensity losses can occur due to the linear absorption during the propagation of the laser radiation in the partially transparent material to the plurality of positions, wherein the phase imprint can also be set such that laser radiation is guided at several angles from the angle of arrival range to at least one position of the plurality of positions, so that in the partially transparent material, an intensity threshold for non-linear absorption, which is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case, is exceeded at the majority of positions despite the intensity losses that occur.
In einigen Weiterbildungen kann die Laserbearbeitungsanlage ferner eine Steuerung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Strahlanpassungsoptik derart einzustellen, dass der Strahldurchmesser am Strahlformungselement größer oder kleiner ist als der vorgegebene Strahldurchmesser um Variationen in der linearen Absorption bezüglich der linearen Absorption für die die Phasenaufprägung bestimmt wurde, auszugleichen. In some developments, the laser processing system can also include a controller that is set up to adjust the beam adjustment optics in such a way that the beam diameter on the beam shaping element is larger or smaller than the specified beam diameter by variations in the linear absorption with respect to the linear absorption for which the phase imprint was determined , to balance.
In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann das Strahlformungselement als ein diffraktives optisches Element, ein räumlicher Lichtmodulator oder ein modifiziertes re- fraktives oder reflektives Axicon ausgebildet sein.
In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann die Phasenaufprägung dazu ausgebildet sein, dass die resultierende Intensitätsverteilung eine Intensitätsverteilung oder eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung aufweist, die Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im Bereich von bis zu 10 % umfasst, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf einen Teil der Fokuszone bezieht, in dem eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. Die Intensitätsverteilung oder die Einhüllenden-Intensitätsverteilung kann insbesondere im Wesentlichen konstant sein. In some developments of the laser processing system, the beam-shaping element can be designed as a diffractive optical element, a spatial light modulator or a modified refractive or reflective axicon. In some developments of the laser processing system, the phase imprint can be designed so that the resulting intensity distribution has an intensity distribution or an envelope intensity distribution that includes deviations from an average intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the range of up to 10%, with the average intensity refers to a part of the focal zone in which a non-linear interaction with the material of the workpiece takes place. The intensity distribution or the envelope intensity distribution can in particular be essentially constant.
Die hierin offenbarten Konzepte betreffen den Ansatz, dass ein mittels eines optischen Strahlformungssystems ausgebildeter quasi-nichtbeugender Laserstrahl bei der Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone in Luft eine Intensitätsverteilung in der Fokuszone aufweisen kann, die in Längsrichtung (üblicherweise in Strahlausbreitungsrichtung) variiert (d.h., variabel ausgebildet ist/ eingestellt wurde), sodass beim Einstrahlen dieses quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in ein zu bearbeitendes Werkstück eine resultierende Intensitätsverteilung innerhalb des Werkstücks bevorzugt näherungsweise konstant ist. Insbesondere ist dabei der Verlauf der variablen Intensitätsverteilung in Luft auf das lineare Absorptionsverhalten des Materials des Werkstücks abgestimmt. Unter der resultierenden Intensitätsverteilung ist dabei die im teiltransparenten Material vorliegende Intensitätsverteilung zu verstehen, wogegen die genannte variable Intensitätsverteilung ohne Wechselwirkung mit dem linearabsorbierenden Material des Werkstücks (d.h., zum Beispiel in Luft) vorliegt. Für eine Materialbearbeitung umfasst eine näherungsweise konstante Intensitätsverteilung im Material beispielsweise Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des Laserstrahls im Bereich von z.B. bis zu 10 %, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf den Teil der Fokuszone bezieht, in dem die (nichtlineare) Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. The concepts disclosed herein relate to the approach that a quasi-non-diffractive laser beam formed by means of an optical beam shaping system can have an intensity distribution in the focal zone in the formation of an elongated focal zone in air that varies in the longitudinal direction (usually in the direction of beam propagation) (i.e., is variably formed / was set), so that when this quasi-non-diffracting laser beam is irradiated into a workpiece to be machined, a resulting intensity distribution within the workpiece is preferably approximately constant. In particular, the course of the variable intensity distribution in air is matched to the linear absorption behavior of the material of the workpiece. The resulting intensity distribution is to be understood as meaning the intensity distribution present in the partially transparent material, whereas the variable intensity distribution mentioned is present without interaction with the linearly absorbing material of the workpiece (i.e., for example in air). For material processing, an approximately constant intensity distribution in the material includes, for example, deviations from an average intensity of the laser beam in the range of e.g. up to 10%, with the average intensity referring to the part of the focal zone in which the (nonlinear) interaction with the material of the workpiece takes place.
Der Fachmann wird anerkennen, dass eine erfindungsgemäß vorgenommene Phasenaufprägung mittels eines refraktiven, diffraktiven und/oder reflektiven Strahlformungssystems erfolgen kann. Zusätzlich zur Phasenaufprägung kann es ferner vorgesehen werden, dass mittels des Strahlformungssystems eine Amplitudenaufprägung auf den Rohlaserstrahl vorgenommen wird. Those skilled in the art will appreciate that phase imprinting performed in accordance with the present invention can be accomplished using a refractive, diffractive, and/or reflective beamforming system. In addition to impressing the phase, it can also be provided that the beam shaping system is used to impress the amplitude of the raw laser beam.
Die hierin offenbarten Konzepte betreffen insbesondere eine Strahlformung, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für die
Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone durch Interferenz der Strahlanteile bewirkt. Bei der Materialbearbeitung erfolgt das Einlaufen der Strahlanteile teilweise durch das Material des Werkstücks. Insbesondere strahlabwärtsliegende Abschnitte der langgezogenen Fokuszone beruhen somit auf Laserstrahlung, die durch das Material entlang eines optischen Pfades propagiert, dessen Länge in der Größenordnung der Länge der Fokuszone liegt. The concepts disclosed herein relate in particular to beam shaping, which involves the arrival of beam components at an angle of arrival onto a beam axis of the laser beam for the Formation of an elongated focus zone caused by interference of the beam components. During material processing, the jet components are fed in partly through the material of the workpiece. Sections of the elongated focal zone lying downstream in particular are thus based on laser radiation which propagates through the material along an optical path whose length is of the order of magnitude of the length of the focal zone.
Ferner betrifft die hierin beschriebene Strahlformung eine Strahlformung, die einen quasi- nichtbeugenden Strahl für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im teiltransparenten Werkstück erzeugt. Insbesondere bei derartigen, sich in Propagationsrichtung über eine signifikante Länge von bis zu einigen Millimetern erstreckenden Fokuszonen kann sich die lineare Absorption auf die Intensitätsverteilung entlang der Fokuszone auswirken. Eine in diesem Zusammenhang betrachtete (longitudinale) Intensitätsverteilung entlang der langgezogenen Fokuszone wird durch den Verlauf eines Maximums der Intensität in Propagationsrichtung charakterisiert. In einigen Ausführungsformen kann der Verlauf eines quasi -nichtbeugenden Strahls mehrere lokale Intensitätsmaxima entlang der langgezogenen Fokuszone aufweisen, sodass in diesen Ausführungsformen eine die lokalen Intensitätsmaxima einhüllende Funktion für die (longitudinale) Intensitätsverteilung (Einhüllenden-Intensi- tätsverteilung) herangezogen werden kann. Ferner kann an jeder Position in Propagationsrichtung, insbesondere an jedem lokalen Intensitätsmaximum, eine transversale Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Strahls betrachtet werden. Furthermore, the beam shaping described herein relates to beam shaping that generates a quasi-non-diffracting beam for forming the elongated focal zone along the beam axis in the partially transparent workpiece. The linear absorption can affect the intensity distribution along the focal zone, particularly in the case of focal zones of this type that extend in the direction of propagation over a significant length of up to a few millimeters. A (longitudinal) intensity distribution along the elongated focal zone considered in this context is characterized by the progression of a maximum of the intensity in the direction of propagation. In some embodiments, the course of a quasi-non-diffracting beam can have several local intensity maxima along the elongated focal zone, so that in these embodiments a function enveloping the local intensity maxima can be used for the (longitudinal) intensity distribution (envelope intensity distribution). Furthermore, a transversal intensity distribution of the quasi-non-diffracting beam can be observed at every position in the propagation direction, in particular at every local intensity maximum.
Mit Blick auf eine Laserbearbeitung spricht man von einer langgezogenen Fokuszone, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (als Ausdehnung des quasi -nichtbeugenden Strahls in Propagationsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zum quasi-nichtbeugenden Strahl (Durchmesser des Intensitätsmaximums)) von mindestens 10: 1, beispielsweise 20: 1 und mehr oder 30: 1 und mehr, oder 1000: 1 und mehr, gekennzeichnet ist. Im Fall einer modulierten Intensitätsverteilung kann das Aspektverhältnis auf die erwähnte einhüllende Funktion der Intensitätsverteilung bezogen werden. With regard to laser processing, one speaks of an elongated focal zone if a three-dimensional intensity distribution with regard to a target threshold intensity is characterized by an aspect ratio (as the extension of the quasi-non-diffracting beam in the propagation direction in relation to the lateral extension across the quasi-non-diffracting beam (diameter of the intensity maximum)) of at least 10:1, for example 20:1 and more or 30:1 and more, or 1000:1 and more. In the case of a modulated intensity distribution, the aspect ratio can be related to the aforementioned enveloping function of the intensity distribution.
Ein quasi -nichtbeugender Strahl kann bei entsprechend ausreichender Intensität in der langgezogenen Fokuszone zu einer Modifikation im Material mit einem ähnlichem Aspektverhältnis oder zu einer Anordnung von mehreren Modifikationszonen, die von einer Einhüllenden mit einem entsprechenden Aspektverhältnis begrenzt werden, führen. Die Modifikation/die
Anordnung von mehreren Modifikationszonen kann sich bevorzugt über eine Länger des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) erstrecken. A quasi-non-diffracting beam can lead to a modification in the material with a similar aspect ratio or to an arrangement of several modification zones, which are delimited by an envelope with a corresponding aspect ratio, with a correspondingly sufficient intensity in the elongated focal zone. The modification/the Arrangement of several modification zones can preferably extend over a length of the quasi-non-diffracting laser beam (5).
Allgemein kann bei den hierin offenbarten quasi -nichtbeugenden Strahlen mit derartigen Aspektverhältnissen im Material eine maximale Änderung der transversalen Ausdehnung der Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, bezogen auf eine durchschnittliche transversale Ausdehnung liegen, wobei sich die durchschnittliche transversale Ausdehnung auf den Teil der Fokuszone bezieht, in dem die (nichtlineare) Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der transversal en/lateralen Ausdehnung der Modifikation. In general, with the quasi-non-diffracting beams disclosed herein with such aspect ratios in the material, a maximum change in the transverse extent of the intensity distribution over the focal zone can be in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less lie on an average transverse extent, where the average transverse extent relates to that part of the focal zone in which the (non-linear) interaction with the material of the workpiece takes place. The same applies correspondingly to a maximum change in the transverse en/lateral extent of the modification.
Die hierin beschriebenen Konzepte sind dazu vorgesehen, auch in teiltransparenten Materialien langgezogene Fokuszonen und entsprechend langgezogene Modifikationen mit hohen Aspektverhältnissen zu erzeugen. The concepts described here are intended to generate elongated focus zones and correspondingly elongated modifications with high aspect ratios even in partially transparent materials.
Die hierin offenbarten Aspekte betreffen insbesondere die laserbasierte Materialbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks, dessen lineare Absorption durch einen Absorptionskoeffizient im Bereich von ca. 0,1/mm bis ca. 2,5/mm gegeben ist. The aspects disclosed herein relate in particular to the laser-based material processing of a partially transparent workpiece, the linear absorption of which is given by an absorption coefficient in the range from approx. 0.1/mm to approx. 2.5/mm.
Hierin werden Konzepte offenbart, die 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 Figuren. Von den Figuren zeigen: Concepts are disclosed herein that allow at least some aspects of the prior art to be improved. In particular, further features and their usefulness result from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:
Fig. 1 Abbildungen zur Verdeutlichung von quasi -nichtbeugenden Strahlen im Vergleich mit einem Gauß-Strahl, Fig. 1 Figures to clarify quasi-non-diffracting beams in comparison with a Gaussian beam,
Fig. 2 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage für die Materialbearbeitung, 2 shows a schematic sketch of a laser processing system for material processing,
Fig. 3 A bis 3F schematische Skizze zur Verdeutlichung der Ausbildung eines quasi -nichtbeugenden Strahls in einem teiltransparenten Werkstück, 3A to 3F schematic sketch to clarify the formation of a quasi-non-diffracting beam in a partially transparent workpiece,
Fig. 4 schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Auswirkung der linearenFig. 4 schematic representations to clarify the effect of the linear
Absorption auf einen quasi-nichtbeugenden Strahl,
Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zur Materialbearbeitung eines Werkstücks, das aus einem teiltransparenten Material besteht,absorption onto a quasi-non-diffracting ray, 5 shows a flow chart to illustrate a method for material processing of a workpiece that consists of a partially transparent material,
Fig. 6A bis 6C beispielhafte Darstellungen radialer Höhenprofile eines Axicons und eines modifizierten Axicons sowie eines radialen Phasenverlaufs,6A to 6C exemplary representations of radial height profiles of an axicon and a modified axicon as well as a radial phase curve,
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Anpassung einer longitudinalen Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Strahls in Propagationsrichtung bei Vorliegen von linearer Absorption in einem Werkstück durch Einstellen der Phasenaufprägung, 7 shows a schematic illustration to clarify the adjustment of a longitudinal intensity distribution of the quasi-non-diffracting beam in the propagation direction when there is linear absorption in a workpiece by adjusting the phase imprint,
Fig. 8 schematische Abbildungen zu einemerfindungsgemäß ausgebildeten quasi- nichtbeugenden Strahl in einem teiltransparenten Werkstück und 8 schematic illustrations of a quasi-non-diffracting beam formed according to the invention in a partially transparent workpiece and
Fig. 9 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Ausbilden eines, insbesondere diffraktiven optischen, Strahlformungselements. 9 shows a flowchart to clarify a method for forming an, in particular diffractive, optical beam-shaping element.
Die hierin beschriebenen Aspekte beziehen sich insbesondere auf die Anwendung von nichtbeugenden Strahlen bei der Materialbearbeitung. Nichtbeugende Strahlen (..non-chff active beams“) - alternativ auch als propagationsinvariante Strahlen “ bekannt - können durch Wellenfelder ausgebildet werden, die der Helmholtz-Gleichung
genügen und eine klare Separierbarkeit in eine transversale (d.h., in x- und y-Richtung) Abhängigkeit und eine longitudinale Abhängigkeit (d.h., eine Abhängigkeit in z-Richtung/Propa- gationsrichtung) der Form
aufweisen. The aspects described herein relate in particular to the use of non-diffractive radiation in material processing. Non-diffracting beams ("non-chff active beams") - alternatively also known as propagation-invariant beams - can be formed by wave fields that correspond to the Helmholtz equation suffice and a clear separability into a transverse (ie, in the x and y direction) dependency and a longitudinal dependency (ie, a dependency in the z direction/direction of propagation) of the shape exhibit.
Hierbei ist ' der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalenHere ' is the wave vector with its longitudinal/axial and transversal
Komponenten
y) ejne beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x und y abhängt. Da die z-Abhängigkeit in Gleichung 2 eine reine Phasenmodulation aufweist, ist eine Intensität
einer die Gleichung 2 lösenden Funktion propagationsinvariant und wird als „nicht beugend“ bezeichnet:
(Gleichung 3)
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen der Helmholtz-Gleichung in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie z.B. sogenannte Mathieu- Strahl en in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder sogenannte Bessel-Strahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten. components y) any complex-valued function that depends only on the transversal coordinates x and y. Since the z-dependence in Equation 2 exhibits pure phase modulation, is an intensity of a function solving Equation 2 is propagation-invariant and is called “non-diffractive”: (equation 3) This approach provides different solution classes of the Helmholtz equation in different coordinate systems, such as so-called Mathieu rays in elliptical-cylindrical coordinates or so-called Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
Siehe hierzu auch J. Turunen und A. T. Friberg, “ Propagation-invariant optical fields”, in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) sowie M. Woerdemann, “ Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation ”, Springer Science & Business Media (2012). See also J. Turunen and AT Friberg, “Propagation-invariant optical fields”, in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) and M. Woerdemann, “Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organization”, Springer Science & Business Media (2012).
Es lassen sich eine Vielzahl von Typen nichtbeugender Strahlen in guter Näherung realisieren. Diese realisierten nichtbeugenden Strahlen werden hierin als „quasi-nichtbeugende Strahlen“ oder „räumlich begrenzt nichtbeugende “ Strahlen oder der Einfachheit halber weiterhin auch als „nichtbeugende Strahlen“ bezeichnet. Quasi-nichtbeugende Strahlen, d.h. mit optischen Mitteln geformte/optisch implementierte nichtbeugende Laserstrahlen, führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist auch eine ihnen zugeordnete Länge L einer Propagationsinvarianz. A large number of types of non-diffracting beams can be realized to a good approximation. These realized non-diffractive beams are referred to herein as "quasi-non-diffractive beams" or "spatial non-diffractive beams" or, for convenience, "non-diffractive beams". Quasi-non-diffracting beams, i.e. optically shaped/optically implemented non-diffracting laser beams, in contrast to the theoretical construct, have finite power. A length L of a propagation invariance assigned to them is also finite.
Fig. 1 zeigt im Vergleich mit Intensitätsdarstellungen eines konventionellen Gauß-Fokus (siehe das Propagationsverhalten eines Gauß-Fokus in Abbildung (a) der Fig. 1) das Propagationsverhalten von quasi -nichtbeugenden Strahlen anhand von Intensitätsdarstellungen in Abbildungen (b) und (c). Die Abbildungen (a), (b) und (c) zeigen jeweils einen Längsschnitt (x- z-Ebene) und einen Transversalschnitt (x-y-Ebene) durch den Fokus eines Gauß-Strahls bzw. von quasi -nichtbeugenden Strahlen, die in z-Richtung propagieren, wobei Pfeile 2 die Propagationsrichtung in z-Richtung zusätzlich verdeutlichen (so z.B. auch in den Figuren 4 und 7). Die Abbildung (b) zeigt ferner eine transversale Femfeldverteilung F des quasi -nichtbeugenden Strahls. Zur Position der Fernfeldverteilung siehe Fig. 2. Bei der Erzeugung eines quasi- nichtbeugenden Strahles mit einem Axicon wird nur einer Ortsfrequenz im Fernfeld erzeugt, die auf den (festgelegten) Konuswinkel des Axicons zurückgeht. In comparison with intensity representations of a conventional Gaussian focus (see the propagation behavior of a Gaussian focus in figure (a) of Fig. 1), Fig. 1 shows the propagation behavior of quasi-non-diffracting rays using intensity representations in figures (b) and (c) . Figures (a), (b) and (c) each show a longitudinal section (x-z plane) and a transverse section (x-y plane) through the focus of a Gaussian beam and quasi-non-diffractive beams, respectively, which appear in z -direction, with arrows 2 additionally clarifying the direction of propagation in the z-direction (e.g. also in FIGS. 4 and 7). Figure (b) also shows a far-field transverse distribution F of the quasi-non-diffracting beam. See Fig. 2 for the position of the far-field distribution. When generating a quasi-non-diffracting beam with an axicon, only one spatial frequency is generated in the far-field, which is due to the (fixed) cone angle of the axicon.
Die Abbildung (b) bezieht sich beispielhaft auf einen rotationssymmetrischen quasi -nichtbeugenden Strahl, hier ein Bessel-Gauß-Strahl. Die Abbildung (c) bezieht sich beispielhaft auf einen asymmetrischen quasi-nichtbeugenden Strahl. Für einen Bessel-Gauß-Strahl zeigen die Abbildungen (d) und (e) der Fig. 1 ferner Details eines zentralen Intensitätsmaximums. So zeigt Abbildung (d) der Fig. 1 einen Intensitätsverlauf in einer transversalen Schnittebene (x-
y-Ebene) und einen transversalen Intensitätsverlauf in x-Richtung. Die Abbildung (e) der Fig. 1 zeigt Details des zentralen Intensitätsmaximums in einem Schnitt in Propagationsrichtung (z-Richtung). Figure (b) refers to a rotationally symmetrical, quasi-non-diffracting beam, in this case a Bessel-Gaussian beam. Figure (c) refers to an asymmetric quasi-non-diffracting beam as an example. For a Bessel-Gaussian beam, panels (d) and (e) of Figure 1 also show details of a central intensity maximum. Figure (d) of FIG. 1 shows an intensity profile in a transversal sectional plane (x- y-plane) and a transverse intensity curve in the x-direction. Image (e) of FIG. 1 shows details of the central intensity maximum in a section in the direction of propagation (z-direction).
Für den Vergleich des quasi-nichtbeugenden Strahls mit einem Gauß-Strahl wird ein Fokus- GF durchmesser uo des Gauß-Fokus definiert, wobei der Gauß-Fokus über die zweiten Momente festgelegt wird. Ferner wird eine zugehörige charakteristische Länge des Gauß-StrahlsFor the comparison of the quasi-non-diffracting beam with a Gaussian beam, a focus GF diameter u o of the Gaussian focus is defined, with the Gaussian focus being established via the second moments. Furthermore, an associated characteristic length of the Gaussian beam
, <• , T -ZR = 7i (d2F)2 /4A , ™ , uber die Rayleigh-Lange ■ 7 definiert, die als eine Distanz ausgehend von der, <• , T -ZR = 7i (d2 F ) 2 /4A , ™ , over the Rayleigh length ■ 7 defined as a distance starting from the
Fokusposition festgelegt wird, bei der der Strahl querschnitt um einen Faktor 2 zugenommen hat. Ferner wird für einen quasi-nichtbeugenden Strahl ein transversaler Fokusdurchmesser JND o als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums definiert, wobei der V D transversaler Fokusdurchmesser H durch die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima (z.B. Intensitätsabfall auf 25 %) gegeben ist. Siehe hierzu z.B. die Abbildungen (b) und (d) der Fig. 1. Die longitudinale (axiale, in Propagationsrichtung vorliegende) Ausdehnung des nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaximums kann als eine charakteristische Länge L des quasi-nichtbeugenden Strahls angesehen werden. Sie ist definiert über einen Intensitätsabfall auf 50 %, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum, jeweils in positive und negative z-Richtung, siehe Abbildungen (c) und (e) der Fig. 1. Focus position is set at which the beam cross-section has increased by a factor of 2. Furthermore, for a quasi-non-diffracting beam, a transverse focal diameter JND o is defined as the transverse dimension of a local intensity maximum, where the VD transverse focal diameter H is given by the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima (e.g. intensity drop to 25%). See, for example, Figures (b) and (d) in FIG. 1. The longitudinal (axial, in the direction of propagation) extent of the almost propagation-invariant intensity maximum can be regarded as a characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. It is defined by an intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum, in the positive and negative z-direction, see images (c) and (e) of Fig. 1.
Hierin wird von einem quasi-nichtbeugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transver- sale Dimensionen, z.B. “o ~ “o , die charakteristische Länge L des quasi-nichtbeugenden Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > 10zR Here, a quasi-non-diffracting ray is assumed if, for similar transverse dimensions, eg “o ~ “o , the characteristic length L of the quasi-non-diffracting ray clearly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, especially if L > 10z R
(Quasi-) Bessel-Strahlen, auch als Bessel-ähnliche Strahlen bekannt, sind Beispiele einer Klasse von (quasi-) nichtbeugenden/propagationsinvarianten Strahlen. Bei derartigen Strahlen gehorcht die transversale Feldverteilung
in der Nähe der optischen Achse in guter(Quasi-) Bessel rays, also known as Bessel-like rays, are examples of a class of (quasi-) non-diffractive/propagation-invariant rays. With such rays, the transverse field distribution obeys near the optical axis in good
Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die sogenannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Er- zeugbarkeit weit verbreitet sind. Ein Bessel-Gauß-Strahl kann z.B. durch Beleuchten eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gauß- Strahl geformt werden. Eine zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse im Bereich einer zugehörigen langgezogenen Fokuszone gehorcht dabei in guter
Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist, siehe Abbildung (d) der Fig. 1. Approximation of a Bessel function of the first kind of order n. A subset of this class of rays are the so-called Bessel-Gaussian rays, which are widely used because they are easy to generate. A Bessel-Gaussian beam can be formed, for example, by illuminating an axicon of refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam. An associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis in the area of an associated elongated focal zone obeys in good Approximation of a Bessel function of the first kind of order 0 wrapped by a Gaussian distribution, see figure (d) of Fig. 1.
Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse im Bereich von
auf. Die zugehörige Länge L eines quasi -nichtbeugenden Strahls kann ohne weiteres 1 mm übersteigen, siehe Abbildung (b) der Fig. 1. Ein Fokus eines Gauß- JGF JND _ o r Typical Bessel-Gauss beams, which can be used to process transparent materials, have a diameter of the central intensity maximum on the optical axis in the range of on. The associated length L of a quasi-non-diffractive beam can easily exceed 1 mm, see figure (b) of Fig. 1. A focus of a Gaussian JGF JND _ or
Strahls mit uo ~ uo E111 zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich
einer Wellenlänge A von 1 pm aus, siehe Abbildung (a) der Fig. 1. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen gilt demnach sogar für die zugehörige Länge L . 10 R, beispielsweise das 100-fache oder mehr oder sogar das 1000-fache oder mehr der Rayleigh-Länge. beam with u o ~ u o E 111 is characterized by a focal length in air of only a wavelength λ of 1 pm, see figure (a) in FIG. 10 R, for example 100 times or more or even 1000 times or more the Rayleigh length.
Abbildung (f) der Fig. 1 zeigt als Beispiel für einen weiteren quasi-nichtbeugenden Strahl einen inversen Bessel-Gauß-Strahl. Man erkennt, wie durch Abbildung eines virtuellen Bessel- Gauß-Strahls (siehe die eingangs genannten Veröffentlichungen) die longitudinale Intensitätsverteilung des inversen Bessel-Gauß-Strahls im Vergleich zum Bessel-Gauß-Strahl bezüglich der Propagationsrichtung invertiert ist. Figure (f) of Figure 1 shows an inverse Bessel-Gaussian beam as an example of another quasi-non-diffracting beam. It can be seen how the longitudinal intensity distribution of the inverse Bessel-Gaussian beam is inverted in comparison to the Bessel-Gaussian beam with respect to the propagation direction by imaging a virtual Bessel-Gaussian beam (see the publications mentioned at the beginning).
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass, soll ein Werkstück aus einem teiltransparenten Material mit einem quasi-nichtbeugenden Strahl bearbeitet werden, sich die lineare Absorption auf die Intensität auswirkt, die entlang des quasi-nichtbeugenden Strahls, d.h. in der langgezogenen Fokuszone, vorliegt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich der quasi -nichtbeugende Strahl beispielsweise in einer auf Interferenz-basierenden Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls ausbildet. Entsprechend ist eine Strahlformung, wie sie zur Bearbeitung von im Wesentlichen transparenten Werkstücken genutzt wird, nicht mehr zielführend, da die Bearbeitung entlang des so erzeugten quasi-nichtbeugenden Strahls mit unterschiedlichen Wechselwirkungsbedingungen (aufgrund der abnehmenden Intensität in Propagationsrichtung) vorgenommen würde oder räumlich nicht mehr im erforderlichen Umfang stattfinden würde. Aspects described herein are based in part on the recognition that when a workpiece made of a partially transparent material is to be processed with a quasi-non-diffractive beam, the linear absorption affects the intensity emitted along the quasi-non-diffractive beam, i.e. in the elongated focal zone , exists. This is particularly the case when the quasi-non-diffracting beam forms, for example, in an interference-based focal zone of a Bessel-Gaussian beam. Accordingly, beam shaping, as used to process essentially transparent workpieces, is no longer expedient, since the processing along the quasi-non-diffracting beam generated in this way would be carried out with different interaction conditions (due to the decreasing intensity in the direction of propagation) or no longer spatially in the required extent would take place.
Um die Ausbildung und Eigenschaften des quasi-nichtbeugenden Strahls, beispielsweise mit einem Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofil, im teiltransparenten Werkstück zu erhalten, wird hierin vorgeschlagen, den beim Durchlaufen des Werkstücks eintretenden absorbierenden
Effekt durch „erhöhtes Einbringen von Intensität entlang der Fokuszone“ entgegenzuwirken. Entsprechend wird ein quasi-nichtbeugender Strahl mit einer - bei Vernachlässigung der linearen Absorption - entlang der Propagationsrichtung zunehmenden Intensitätsverteilung ausgebildet, wie sie sich beispielsweise im Fall eines Vergleichswerkstücks ohne lineare Absorption oder beispielsweise in Luft ausbilden würde. Die Zunahme der Intensitätsverteilung (ohne lineare Absorption im Werkstück) kann dann die Abnahme der Intensität aufgrund der linearen Absorption zumindest abschnittsweise kompensieren. In order to obtain the formation and properties of the quasi-non-diffracting beam, for example with a Bessel beam-like beam profile, in the partially transparent workpiece, it is proposed here that the absorbing beam that occurs when passing through the workpiece To counteract the effect by "increasing the injection of intensity along the focal zone". Correspondingly, a quasi-non-diffracting beam is formed with an intensity distribution that increases along the direction of propagation--ignoring the linear absorption--as would form, for example, in the case of a comparison workpiece without linear absorption or, for example, in air. The increase in the intensity distribution (without linear absorption in the workpiece) can then at least partially compensate for the decrease in intensity due to the linear absorption.
Eine (ohne lineare Absorption im Werkstück) zunehmende Intensitätsverteilung kann zum einen durch eine spezielle Anpassung der Phasenaufprägung (bewirkt beispielsweise durch eine spezielle Formgebung der Geometrie des Axicons oder eine speziell entworfene Phasenverteilung eines diffraktiven optischen Elements) vorgenommen werden. On the one hand, an increasing intensity distribution (without linear absorption in the workpiece) can be achieved by a special adaptation of the phase imprint (caused, for example, by a special shape of the geometry of the axicon or a specially designed phase distribution of a diffractive optical element).
Zum anderen können bekannte Phasenaufprägungen mit modifizierten Strahlparametern eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Phasenaufprägung/Strahlformungsoptik derart ausgelegt werden, dass sie ohne lineare Absorption im Werkstück für einen vorgegebenen Strahldurchmesser eine in Propagationsrichtung homogenisierte Intensitätsverteilung bewirkt, indem sie Laserleistung gleichmäßig entlang der Fokuszone verteilt, insbesondere indem sie Intensität in strahlabwärts liegende Abschnitte des quasi-nichtbeugenden Strahls umverteilt. Ein Beispiel ist ein homogenisierter Bessel-Gauß-Strahl. In einer Ausführungsform der Erfindung kann nun eine derartige Phasenaufprägung/Strahlformungsoptik mit einem variierten, zum Beispiel vergrößerten, Strahldurchmesser verwendet werden, wobei der Strahldurchmesser derart gewählt wird, dass mehr Intensität in strahlabwärts liegende Abschnitte des quasi-nichtbeugenden Strahls umverteilt wird, um so der linearen Absorption entgegenzuwirken. On the other hand, known phase impressions with modified beam parameters can be used. For example, phase imprinting/beam-shaping optics can be designed in such a way that, without linear absorption in the workpiece, they cause a homogenized intensity distribution in the propagation direction for a given beam diameter by distributing laser power evenly along the focal zone, in particular by intensifying intensity in downstream sections of the quasi-non-diffracting beam redistributed. An example is a homogenized Bessel-Gaussian beam. In one embodiment of the invention, such phase imprinting/beam shaping optics can now be used with a varied, e.g. increased, beam diameter, where the beam diameter is chosen such that more intensity is redistributed into downstream portions of the quasi-non-diffractive beam, so as to reduce the linear counteract absorption.
Es wurde somit erkannt, dass einer Beeinflussung der Intensitätsverteilung entlang der Propagationsrichtung eines quasi-nichtbeugenden Strahls durch lineare Absorption bei der Ausbreitung im Werkstück zumindest abschnittsweise entgegengewirkt werden kann. Überdies wurde erkannt, dass bei entsprechenden Maßnahmen Strahlformungskonzepte und Strahlformungskomponenten, die für im Wesentlichen transparente Werkstücke entwickelt wurden, zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Strahls in einem absorbierenden Material genutzt werden können.
So wurde erkannt, dass trotz einer linearen Absorption bei der Ausbreitung von Laserstrahlung in einem teiltransparenten Werkstück ein quasi -nichtbeugender Strahl mit einer in Propagationsrichtung im Wesentlichen gleichbleibenden Intensitätsverteilung im Material des Werkstücks erzeugt werden kann. Entsprechend können langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer Teiltransparenz eingeschrieben werden. Derartig erzeugte strukturelle Modifikationen können wie bei im Wesentlichen transparenten Werkstücken zum Beispiel einen Trennvorgang ermöglichen oder für einen Materi al ab trag genutzt werden. It was thus recognized that an influencing of the intensity distribution along the propagation direction of a quasi-non-diffracting beam can be counteracted at least in sections by linear absorption during propagation in the workpiece. In addition, it was recognized that, with appropriate measures, beam shaping concepts and beam shaping components that were developed for essentially transparent workpieces can be used to form a quasi-non-diffracting beam in an absorbent material. It was recognized that, despite linear absorption during the propagation of laser radiation in a partially transparent workpiece, a quasi-non-diffracting beam can be generated with an intensity distribution that is essentially constant in the direction of propagation in the material of the workpiece. Correspondingly, extended modifications can also be written into a workpiece with partial transparency. As with essentially transparent workpieces, structural modifications produced in this way can, for example, enable a cutting process or be used to remove material.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 für die Bearbeitung eines Werkstücks 3 mit einem quasi -nichtbeugenden (Laser-)Strahl 5. Die hierin offenbarten Konzepte richten sich spezifisch auf die Bearbeitung von Werkstücken aus einem Material, das bezüglich des Laserstrahls 5 teiltransparent ist und entsprechend eine lineare Absorption des Laserstrahls 5 bewirkt. Das Werkstück 3 kann beispielsweise ein teiltransparentes (z.B. gefärbtes) Glas, wie eine Glasscheibe, oder ein für die eingesetzte Laserwellenlänge teiltransparentes Objekt, wie eine Scheibe, in keramischer oder kristalliner Ausführung (beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid wie Saphir, z.B. natürlicher oder künstlich nachgefärbter Saphir) sein. Beispielsweise absorbiert das Material im Spektralbereich des Laserstrahls 5 über eine Länge von 1 mm 50 % der Intensität einer durchtretenden Laserstrahlung. Allgemein kann das Material des Werkstücks Absorptionskoeffizienten im Bereich von ca. 0,1/mm bis ca. 2,5/mm aufweisen, mit entsprechenden Transmissionen im Bereich von 90 % bis 10 % pro Millimeter Materi al dicke, beispielsweise eben 50 % pro 1 mm Glasdicke. Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system 1 for processing a workpiece 3 with a quasi-non-diffractive (laser) beam 5. The concepts disclosed herein are aimed specifically at the processing of workpieces made of a material that is partially transparent with respect to the laser beam 5 and causes a linear absorption of the laser beam 5 accordingly. The workpiece 3 can be, for example, a partially transparent (e.g. colored) glass, such as a glass pane, or an object that is partially transparent for the laser wavelength used, such as a pane, in a ceramic or crystalline design (for example made of aluminum oxide or zirconium oxide such as sapphire, e.g. natural or artificially colored sapphire ) be. For example, the material in the spectral range of the laser beam 5 absorbs 50% of the intensity of a laser beam passing through over a length of 1 mm. In general, the material of the workpiece can have absorption coefficients in the range from approx. 0.1/mm to approx. 2.5/mm, with corresponding transmissions in the range from 90% to 10% per millimeter of material thickness, for example 50% per 1 mm glass thickness.
Die Bearbeitung mit dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl bewirkt ein Modifizieren des Materials des Werkstücks 3 in einer Fokuszone 7 die vom quasi -nichtbeugenden Laserstrahl 5 ausgebildet wird. Wie in Fig. 2 angedeutet ist die Fokuszone 7 allgemein in einer Ausbreitungsrichtung (Propagationsrichtung; hier die z-Richtung) des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls 5 langgezogen ausgebildet. Beispielsweise kann die Fokuszone 7 als Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls oder eines inversen Bessel-Gauß-Strahls gebildet werden. The processing with the quasi-non-diffracting laser beam causes a modification of the material of the workpiece 3 in a focus zone 7 that is formed by the quasi-non-diffracting laser beam 5 . As indicated in FIG. 2, the focal zone 7 is generally elongated in a direction of propagation (direction of propagation; here the z-direction) of the quasi-non-diffracting laser beam 5 . For example, the focal zone 7 can be formed as a focal zone of a Bessel-Gaussian beam or an inverse Bessel-Gaussian beam.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 11 (beispielsweise ein Ultrakurzpuls-Hochleistungslasersystem), die einen Laserstrahl 5“ erzeugt und ausgibt. Der Laserstrahl 5“ ist beispielsweise gepulste Laserstrahlung. Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung weisen für eine Materialbearbeitung z.B. Pulsenergien auf, die im quasi -nichtbeugenden Strahl zu Pulsspitzenintensitäten führen, die eine nichtlineare Absorption im Material des
Werkstücks 3 und damit eine Ausbildung einer Modifikation in einer durch den Intensitätsverlauf des quasi -nichtbeugenden Strahls vorgegebenen Geometrie bewirken. The laser processing system 1 comprises a laser beam source 11 (for example an ultra-short pulse high-power laser system) which generates and outputs a laser beam 5″. The laser beam 5″ is, for example, pulsed laser radiation. For material processing, laser pulses of the pulsed laser radiation have, for example, pulse energies that lead to pulse peak intensities in the quasi-non-diffracting beam that cause non-linear absorption in the material of the Workpiece 3 and thus bring about a formation of a modification in a geometry predetermined by the intensity profile of the quasi-non-diffracting beam.
Zur Führung und Strahlformung umfasst die Laserbearbeitungsanlage 1 ferner ein optisches Strahlformungssystem 13. Das optische Strahlformungssystem 13 kann zumindest teilweise in einem Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsanlage 1 vorgesehen werden, der räumlich relativ zum Werkstück 3 ausgerichtet werden kann. For guidance and beam shaping, the laser processing system 1 also includes an optical beam shaping system 13. The optical beam shaping system 13 can be provided at least partially in a processing head of the laser processing system 1, which can be spatially aligned relative to the workpiece 3.
Das optische Strahlformungssystem 13 umfasst eine Strahlformungsoptik 15 zur Phasenaufprägung auf einen Rohlaserstrahl 5‘. In Fig. 2 stellt die aus der Strahlformungsoptik 15 austretende Laserstrahlung phasenaufgeprägter Laserstrahlung 5 PH dar, die zur Formung des quasi -nichtbeugenden Strahls 5 genutzt wird. Beispielhaft sind Strahlanteile 5A, 5B und 5C der phasenaufgeprägter Laserstrahlung 5 PH angedeutet. Als Strahlformungsoptik können diffraktive optische Strahlformungselemente und refraktive oder reflektive Optikimplementierungen eingesetzt werden, wobei diese hierin als hinsichtlich einer vorzunehmenden transversalen Phasenaufprägung im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel ausgeführt werden können. The optical beam shaping system 13 comprises beam shaping optics 15 for impressing the phase on a raw laser beam 5'. In FIG. 2, the laser radiation emerging from the beam-shaping optics 15 represents phase-impressed laser radiation 5 PH that is used to shape the quasi-non-diffracting beam 5 . Beam portions 5A, 5B and 5C of the phase-impressed laser radiation 5 PH are indicated by way of example. Diffractive optical beam-shaping elements and refractive or reflective optics implementations can be used as beam-shaping optics, it being possible for these to be embodied here as essentially equivalent optical means with regard to a transverse phase imprinting to be carried out.
Die Strahlformungsoptik 15 ist z.B. ein Axicon, ein Hohlkegel-Axicon, ein (Hohlkegel-) Axi- con-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System, wobei diese Komponenten in ihrer phasenaufprägenden Eigenschaft bzgl. einer vorliegenden linearen Absorption in einem Werkstück modifiziert wurden, um eine Ausbildung von ansteigenden Intensitätsverteilungen in Vergleichsmaterialien ohne lineare Absorption zu erzeugen (siehe Fig. 6B). Modifizierte Geometrien eines Axicons oder inversen Axicons weichen von der linearen Abhängigkeit der Dicke des konventionellen konusförmigen Axicons von einem radialen Abstand von der Strahlachse ab. The beam-shaping optics 15 is, for example, an axicon, a hollow-cone axicon, a (hollow-cone) axicon lens/mirror system, a reflective axicon lens/mirror system, these components being linear in their phase-impressing property Absorption in a workpiece were modified to produce a formation of increasing intensity distributions in comparison materials without linear absorption (see Figure 6B). Modified geometries of an axicon or inverse axicon deviate from the linear dependence of the thickness of the conventional cone-shaped axicon on a radial distance from the beam axis.
Die Strahlformungsoptik 15 kann ferner ein programmierbares oder fest-eingeschriebenes dif- fraktives optisches Strahlformungselement, insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator) sein. Beispielsweise weist ein diffraktives optisches Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (siehe auch Fig. 8, Abbildungen (dl) und (d2)) auf, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist. Mithilfe von speziell gewählten Phasenschiebungswerten kann z.B. eine Geometrie eines (Hohlkegel-) Axicons nachgebildet werden, wobei die
Phasenaufprägung ebenfalls hinsichtlich der Implementierung eines konventionellen Axicons modifiziert werden kann. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Strahlformungssystems 13 und insbesondere der Strahlformungsoptik 15 wird auf die eingangs genannten Veröffentlichungen verwiesen. Diese offenbaren ferner, dass in axialer Richtung quasi-homogeni- sierte Intensitätsverteilungen in langgezogenen Fokuszonen von Bessel-Gauß-Strahlen als Beispiel für einen quasi -nichtbeugenden Strahl in einem transparenten Material erzeugt werden können. Dabei kann die Homogenität in der Intensität kontinuierlich entlang der langgezogenen Fokuszone vorliegen oder es kann eine Sequenz von Intensitätsmaxima mit z.B. vergleichbaren Intensitätswerten entlang der Fokuszone vorliegen. The beam shaping optics 15 can also be a programmable or permanently written diffractive optical beam shaping element, in particular a spatial light modulator (SLM spatial light modulator). For example, a diffractive optical beam-shaping element has surface elements that adjoin one another (see also FIG. 8, images (d1) and (d2)), which build up a surface grating structure in which each surface element is assigned a phase shift value. With the help of specially selected phase shift values, a geometry of a (hollow cone) axicon can be simulated, for example, where the Phase imprint can also be modified with respect to the implementation of a conventional axicon. For exemplary configurations of the optical beam shaping system 13 and in particular the beam shaping optics 15, reference is made to the publications mentioned at the outset. These also reveal that in the axial direction quasi-homogenized intensity distributions can be generated in elongated focal zones of Bessel-Gauss beams as an example of a quasi-non-diffracting beam in a transparent material. The homogeneity in intensity can be continuous along the elongated focal zone or there can be a sequence of intensity maxima with, for example, comparable intensity values along the focal zone.
Die Strahlformungsoptik 15 kann dazu eingerichtet sein, ein Einlaufen von Strahlanteilen eines auf den Laserstrahl 5“ zurückgehenden Rohlaserstrahls 5‘ unter einem Einlaufwinkel 6‘ auf eine Strahlachse 9 für eine Ausbildung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls 5 entlang der Strahlachse 9 im Werkstück 3 durch Interferenz der Strahlanteile zu bewirken. Der Einlaufwinkel 6‘ liegt für Werkstücke aus einem teiltransparenten Material in einem Einlaufwinkelbereich von beispielsweise ca. 5° bis ca. 25° bezüglich der Strahlachse 9 im teiltransparenten Material (entsprechend bis ca. 40° in Luft). Für eine langgezogene Materialbearbeitung liegen bevorzugt vergleichbare, im teiltransparenten Material eine nichtlineare Absorption hervorrufende Intensitäten in zumindest mehreren Abschnitten des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls 5 vor. Dazu können z.B. speziell angepasste Einlaufwinkel 6‘ vorgesehen werden (siehe auch Fig. 6B), die ein Umordnen von Intensitätsanteilen in Propagationsrichtung zur Anpassung der Intensität entlang der Fokuszone/des quasi-nichtbeugenden Strahls bewirken. The beam-shaping optics 15 can be set up to prevent beam portions of a raw laser beam 5' returning to the laser beam 5" from entering at an angle of incidence 6' onto a beam axis 9 for formation of the quasi-non-diffracting laser beam 5 along the beam axis 9 in the workpiece 3 by interference of the to cause beam components. For workpieces made of a partially transparent material, the entry angle 6' is in an entry angle range of, for example, approximately 5° to approximately 25° with respect to the beam axis 9 in the partially transparent material (correspondingly up to approximately 40° in air). For an elongated material processing, there are preferably comparable intensities in at least several sections of the quasi-non-diffracting laser beam 5 that cause non-linear absorption in the partially transparent material. For this purpose, for example, specially adapted angles of incidence 6' can be provided (see also Fig. 6B), which cause intensity components to be rearranged in the direction of propagation in order to adapt the intensity along the focal zone/the quasi-non-diffracting beam.
Optional umfasst das optische Strahlformungssystem 13 eine Strahlanpassungsoptik 17A, beispielsweise in Form eines ersten Teleskops (in Fig. 2 schematisch anhand von Linsen LI A und L2_A dargestellt). Die Strahlanpassungsoptik 17A ist dazu eingerichtet, einen Strahldurchmesser des Laserstrahl 5“ anzupassen und den Laserstrahl 5“ als Rohlaserstrahl 5‘ mit einem Rohlaserstrahldurchmesser D der Strahlformungsoptik 15 zuzuführen. Optionally, the optical beam shaping system 13 includes a beam adjustment optics 17A, for example in the form of a first telescope (shown schematically in FIG. 2 using lenses LI A and L2_A). The beam adjustment optics 17A are set up to adjust a beam diameter of the laser beam 5″ and to feed the laser beam 5″ as a raw laser beam 5′ with a raw laser beam diameter D to the beam shaping optics 15 .
In Fig. 2 ist in einem Intensitätsdiagramm I(y) für den Rohlaserstrahl 5‘ schematisch eine gaußförmige Intensitätsverteilung G mit Strahldurchmesser D angedeutet. Durch Variieren des Abstands der Linsen LI A und L2_A kann die Strahlanpassungsoptik 17A zur Anpassung der Strahlgröße an der Strahlformungsoptik 15 eingesetzt werden.
In Fig. 2 wird eine Strahlformung mit einer Axicon-ähnlichen Phasenaufprägung beispielhaft mit Strahlengängen für verschiedene Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls 5‘ (z.B. entsprechend Intensitätsringen im Intensitätsdiagramm I(y)) dargestellt. Schematisch ist in Fig. 2 beispielhaft ein Axicon-Querschnitt 15A angedeutet. Bei einer Axicon-ähnlichen Phasenaufprägung wird die Laserstrahlung rotationssymmetrisch an Positionen entlang der optischen Achse 9 geführt, wobei jeder der Einlaufwinkel einen lokalen Konuswinkel darstellt, der auf einen Intensitätsring im Intensitätsdiagramm I(y) wirkt. In FIG. 2, a Gaussian intensity distribution G with beam diameter D is indicated schematically in an intensity diagram I(y) for the raw laser beam 5′. By varying the spacing of the lenses LI A and L2_A, the beam adjustment optics 17A can be used to adjust the beam size at the beam shaping optics 15 . In FIG. 2, beam shaping with an axicon-like phase imprint is shown as an example with beam paths for different beam cross-sectional areas of the raw laser beam 5' (eg corresponding to intensity rings in the intensity diagram I(y)). An axicon cross-section 15A is indicated schematically in FIG. 2 by way of example. In the case of an axicon-like phase imprint, the laser radiation is guided rotationally symmetrically at positions along the optical axis 9, with each of the angles of arrival representing a local cone angle which acts on an intensity ring in the intensity diagram I(y).
Die Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Strahls 5 ist in Fig. 3 A (für einen festen Einlaufwinkel) und in Fig. 3B (für in einem Einlaufwinkelbereich variabel eigestellte Einlaufwinkel) vergrößert dargestellt. The formation of a quasi-non-diffracting beam 5 is shown enlarged in FIG. 3A (for a fixed angle of incidence) and in FIG. 3B (for angles of incidence that are variably set in a range of angles of incidence).
In einer in Fig. 3 A dargestellten z-y-Schnittebene entlang der Strahlachse 9 wird ein beispielhafter Strahlengang für einen Bessel-Gauß-Strahl - wie er z.B. bei fehlender linearer Absorption, d.h., zur Bearbeitung eines transparenten Werkstücks 3_o, eingesetzt werden kann - anhand von schematisierten Strahlanteilen für die Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Strahls in verdeutlicht. Angedeutet sind wieder (radialen) Strahlanteile 5A, 5B, 5C, die unter einem (durch den Konuswinkel des Axicons vorgegeben) Einlaufwinkel 6 in Luft bzw. 6‘ im Material auf die Strahlachse 9 des Laserstrahls 5 einlaufen. In a z-y section plane along the beam axis 9 shown in Fig. 3A, an exemplary beam path for a Bessel-Gauss beam - as it can be used, for example, in the absence of linear absorption, i.e., for processing a transparent workpiece 3_o - based on Schematic beam components for the formation of a quasi-non-diffracting beam in . (Radial) beam components 5A, 5B, 5C are again indicated, which enter the beam axis 9 of the laser beam 5 at an angle of incidence (predetermined by the cone angle of the axicon) 6 in air or 6′ in the material.
Dabei bildet Laserstrahlung des Strahlanteils 5A, die einem (radial innen liegenden) Strahlquerschnittsbereich R A des Rohlaserstrahls 5‘ um die Strahlmitte zugeordnet ist, einen Anfangsabschnitt 6A des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls. Laserstrahlung des Strahlanteils 5B, die einem mittleren ringförmigen Strahlquerschnittsbereich R_B des Rohlaserstrahls 5‘ zugeordnet ist, bildet einen mittleren Abschnitt 6B des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls. Laserstrahlung des Strahlanteils 5C, die einem äußeren ringförmigen Strahlquerschnittsbereich R_C des Rohlaserstrahls 5‘ zugeordnet ist, bildet einen Endabschnitt 6C des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls. In this case, laser radiation of the beam portion 5A, which is associated with a (radially inner) beam cross-sectional area R A of the raw laser beam 5' around the beam center, forms an initial section 6A of the quasi-non-diffracting laser beam. Laser radiation of the beam portion 5B, which is assigned to a central annular beam cross-sectional area R_B of the raw laser beam 5', forms a central section 6B of the quasi-non-diffracting laser beam. Laser radiation of the beam portion 5C, which is assigned to an outer ring-shaped beam cross-sectional area R_C of the raw laser beam 5', forms an end section 6C of the quasi-non-diffracting laser beam.
Der quasi -nichtbeugende Strahl bildet sich entlang der Strahlachse 9 im transparenten Werkstück 3_o durch Interferenz der Strahlanteile 5A, 5B, 5C (über eine Länge /., siehe auch Fig. 1) aus. Man erkennt, dass die weiter außen liegenden Strahlanteile 5B, 5C einen längeren Weg im Material zurücklegen und somit - im Falle eines teiltransparenten Materials - einer stärkeren linearen Absorption ausgesetzt wären als der weiter innen liegende Strahlanteil 5 A.
Entsprechend sind bei Verwendung eines konventionellen Axicons (mit fest eingestellten Ko- nuswinkel) zur Strahlformung die in der Fokuszone vorliegenden Intensitäten an den Abschnitten 6A ,6B, 6C des quasi-nichtbeugenden Strahls unterschiedlich stark von einer linearen Absorption betroffen. The quasi-non-diffracting beam is formed along the beam axis 9 in the transparent workpiece 3_o by interference of the beam components 5A, 5B, 5C (over a length /., see also FIG. 1). It can be seen that the beam portions 5B, 5C lying further to the outside cover a longer path in the material and thus—in the case of a partially transparent material—would be exposed to stronger linear absorption than the beam portion 5A lying further to the inside. Correspondingly, when using a conventional axicon (with a fixed cone angle) for beam shaping, the intensities present in the focus zone at sections 6A, 6B, 6C of the quasi-non-diffracting beam are affected to different extents by linear absorption.
Zurückkehrend zu Fig. 2 sind optische Wege der Laserstrahlung der Strahlanteile 5A, 5B, 5C schematisch ausgehend vom Strahlformungselement 15 bis zur Fokuszone 7 angedeutet. Wesentlich für die lineare Absorption ist der Anteil der optischen Wege im teiltransparenten Material des Werkstücks 3. Diese Anteile der optischen Wege sind für die Laserstrahlung der Strahlanteile 5A, 5B, 5C in Fig. 3A mit den Bezugszeichen 5A‘, 5B‘ und 5C‘ versehen. Returning to FIG. 2, optical paths of the laser radiation of the beam portions 5A, 5B, 5C are indicated schematically, starting from the beam-shaping element 15 to the focal zone 7. The portion of the optical paths in the partially transparent material of the workpiece 3 is essential for the linear absorption. These portions of the optical paths are provided with the reference symbols 5A′, 5B′ and 5C′ for the laser radiation of the beam portions 5A, 5B, 5C in FIG. 3A .
Wie man in Fig. 2 ferner erkennen kann, ist jedem der Strahlquerschnittsbereiche R A, R_B, R_C ein Intensitätsanteil I_A, I_B, I C der Intensität des Rohlaserstrahls 5‘ zugeordnet. Wie der Fachmann anerkennen wird, sind in Fig. 2 und in Fig. 3 A die Zuordnung von Strahlquerschnittsbereich, Intensitätsanteil, Abschnitt des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls vereinfacht dargestellt. As can also be seen in FIG. 2, each of the beam cross-sectional areas R A , R_B, R_C is assigned an intensity component I_A, I_B, I C of the intensity of the raw laser beam 5'. As will be appreciated by those skilled in the art, Fig. 2 and Fig. 3A simplify the mapping of beam cross-sectional area, intensity fraction, section of the quasi-non-diffracting laser beam.
Variationen im Einlaufwinkel 6‘ können nun durch Einstellen der Phasenaufprägung für die Materialbearbeitung eines Werkstücks aus einem teiltransparenten Material eingestellt werden. Dies wird in Fig. 3B schematisch für das teiltransparente Werkstück 3 dargestellt. Variations in the angle of arrival 6' can now be adjusted by adjusting the phase imprint for the material processing of a workpiece made of a partially transparent material. This is shown schematically for the partially transparent workpiece 3 in FIG. 3B.
Beispielsweise ist die Phasenaufprägung derart eingestellt, dass Laserstrahlung in ihrem Einlaufwinkel auf die Strahlachse 9 entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls variiert bzw. an einer Position/an einem Abschnitt der quasi -nichtbeugende Laserstrahl durch Laserstrahlung aus mehreren Einlaufwinkeln gebildet wird. Beispielsweise fällt in Fig. 3B Laserstrahlung 5B_T flacher ein als Laserstrahlung 5A_T; Laserstrahlung 5C_T fällt steiler ein als die Laserstrahlung 5B_T; Laserstrahlung 5D_T fällt noch steiler ein als die Laserstrahlung 5C_T. Bei entsprechender Wahl der Einlaufwinkel für die verschiedenen Strahlanteile kann die Intensität der Laserstrahlung, die an die verschiedenen Abschnitte 6A_T, 6B_T, 6C_T entlang der optischen Achse 9 geführt wird, um dort konstruktiv zu interferieren und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl auszubilden, an die verschieden starken Einflüsse der linearen Absorption angepasst werden.
Betrachtet man die Figuren 3 A und 3B als strahlenoptischen Vergleich, wird in Fig. 3 A die Erzeugung eines (quasi-) nichtbeugenden Laserstrahls durch Zuführung der Strahlungsanteile (Feldkomponenten) mit einem globalen (global nicht variierenden) Konuswinkel mit resultierendem festen Einlaufwinkel 6‘ (üblicherweise im transparenten Material) bewirkt. In Fig. 3B wird die Erzeugung eines (quasi-) nichtbeugenden Laserstrahls mit einer Mehrzahl von spezifisch eingestellten lokalen Konuswinkeln mit resultierenden variierenden Einlaufwinkel 5‘_1, 6‘_2 bewirkt. Es wird angemerkt, dass in Fig. 3B zur Deutlichkeit beispielsweise Laserstrahlung 5C_T und Laserstrahlung 5D_T nebeneinander auf die optische Achse 9 treffen. Abhängig von der Lage der beitragenden Strahlquerschnittsbereiche und der zugeordneten Phasenanstiege (Einlaufwinkel) wird Laserstrahlung unter mehreren Winkeln (aus einem dem Strahlformungselement 15 zugeordneten Einlaufwinkelbereich) an eine Position auf der optischen Achse 9 geführt werden. In eine (konstruktive/destruktive) Überlagerung der Laserstrahlung unter mehreren Winkeln geht der jeweilige Phasenunterschied ein, der aufgrund der unterschiedlichen entlang der verschiedenen optischen Wege akkumulierten Phasen in der Fokuszone 7 vorliegt. For example, the phase imprint is set such that laser radiation varies in its angle of incidence onto the beam axis 9 along the quasi-non-diffracting laser beam or the quasi-non-diffracting laser beam is formed at a position/on a section by laser radiation from a number of angles of incidence. For example, in FIG. 3B, laser radiation 5B_T is more flat than laser radiation 5A_T; Laser radiation 5C_T is more steep than laser radiation 5B_T; Laser radiation 5D_T falls even more steeply than laser radiation 5C_T. With a corresponding choice of the angle of incidence for the different beam components, the intensity of the laser radiation, which is guided to the different sections 6A_T, 6B_T, 6C_T along the optical axis 9, in order to constructively interfere there and form the quasi-non-diffracting laser beam, can be adjusted to the different intensities Influences of linear absorption can be adjusted. If one considers FIGS. 3A and 3B as a ray-optical comparison, in FIG. usually in the transparent material). In Fig. 3B, the generation of a (quasi) non-diffractive laser beam is effected with a plurality of specifically set local cone angles with resulting varying arrival angles 5'_1, 6'_2. It is noted that in FIG. 3B , for example, laser radiation 5C_T and laser radiation 5D_T impinge on the optical axis 9 next to one another for the sake of clarity. Depending on the position of the contributing beam cross-section areas and the associated phase increases (angle of arrival), laser radiation is guided to a position on the optical axis 9 at a number of angles (from an angle of arrival area assigned to the beam-shaping element 15 ). The respective phase difference, which is present in the focal zone 7 due to the different phases accumulated along the various optical paths, is included in a (constructive/destructive) superimposition of the laser radiation at a plurality of angles.
Fig. 3C zeigt ferner eine transversale Fernfeldverteilung F T, wie sie bei der Erzeugung eines in einem teiltransparenten Material homogenisierten quasi-nichtbeugenden Laserstrahls vorliegen kann. Zur Position der Femfeldverteilung F T siehe Fig. 2. Die Fernfeldverteilung F T zeigt ein Ortsfrequenzspektrum, das mehrere (den Winkel ö‘_l, 6‘_2 entsprechende) Frequenzen aufweist, anhand der räumlichen Interferenzen. Im Vergleich zur Erzeugung eines in einem transparenten Material homogenisierten quasi-nichtbeugenden Laserstrahls ist die Wichtung von Intensitäten der Ortsfrequenzen für die Erzeugung des im teiltransparenten Material homogenisierten quasi-nichtbeugenden Laserstrahls an das lineare Absorptionsverhalten angepasst. 3C also shows a transverse far-field distribution F T , as can be present when generating a quasi-non-diffracting laser beam that is homogenized in a partially transparent material. For the position of the far-field distribution F T see Fig. 2. The far-field distribution F T shows a spatial frequency spectrum that has several frequencies (corresponding to the angle δ'_l, 6'_2) based on the spatial interferences. Compared to the generation of a quasi-non-diffracting laser beam homogenized in a transparent material, the weighting of intensities of the spatial frequencies for the generation of the quasi-non-diffracting laser beam homogenized in the partially transparent material is adapted to the linear absorption behavior.
Bezugnehmend auf Fig. 2 umfasst das optische Strahlformungssystem 13 ferner ein Abbildungssystem 17B, das beispielsweise in Form eines zweiten Teleskops (in Fig. 2 schematisch anhand von Linsen LI B, L2_B dargestellt) zum Abbilden eines realen oder virtuellen Strahlverlaufs in das teiltransparente Werkstück 3 ausgebildet ist. Das Abbildungssystem 17B kann ferner zur Einstellung der Länge des quasi-nichtbeugenden Strahls im Werkstück 3 beispielsweise durch Änderung der Brennweite des Abbildungssystems 17B genutzt werden. Der Fachmann wird anerkennen, dass wie in den eingangs genannten Veröffentlichungen die Linse L1_B auch mit dem Strahlformungselement 15 kombiniert werden kann.
Im Abbildungssystem 17B bildet sich ferner eine Femfeldverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls aus (beispielsweise die Fernfeldverteilung F der Fig. 1 Abbildung (b) bzw. die Femfeldverteilung F T der Fig. 3C). Die Position P F des Femfelds ist schematisch in Fig. 2 durch einen Zwischenfokus zwischen den Linsen LI B, L2_B angedeutet. Referring to Fig. 2, the optical beam shaping system 13 also includes an imaging system 17B, which is designed, for example, in the form of a second telescope (shown schematically in Fig. 2 using lenses LI B, L2_B) for imaging a real or virtual beam path in the partially transparent workpiece 3 is. The imaging system 17B can also be used to adjust the length of the quasi-non-diffracting beam in the workpiece 3, for example by changing the focal length of the imaging system 17B. The person skilled in the art will recognize that the lens L1_B can also be combined with the beam-shaping element 15, as in the publications mentioned at the outset. A far-field distribution of the quasi-non-diffracting laser beam is also formed in the imaging system 17B (for example the far-field distribution F of FIG. 1 image (b) or the far-field distribution FT of FIG. 3C). The position PF of the far field is indicated schematically in FIG. 2 by an intermediate focus between the lenses LI B , L2_B.
Das optische Strahlformungssystem 13 kann weitere strahlführende Komponenten wie zum Beispiel Umlenkspiegel, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung und Einstellung der verschiedenen Komponenten aufweisen. The optical beam shaping system 13 can have further beam-guiding components such as, for example, deflection mirrors, filters and control modules for aligning and adjusting the various components.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst ferner eine in Fig. 2 schematisch angedeutete Werkstückhai terung 19 zum Lagern und optional zum Bewegen des Werkstücks 3. The laser processing system 1 also includes a workpiece holder 19, indicated schematically in Fig. 2, for storing and optionally moving the workpiece 3.
Für die Bearbeitung des Werkstücks 3 erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem optischen Strahlformungssystem 13 (dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl) und dem Werkstück 3, sodass der quasi-nichtbeugende Strahl 5/die Fokuszone 7 an verschiedenen Positionen entlang einer vorbestimmten (Bearbeitungs-) Trajektorie T im Werkstück 3 ausgebildet werden kann. Bevorzugt kann der quasi-nichtbeugende Laserstrahl 5 entlang der Abtasttrajektorie bewegt werden, sodass eine Aufreihung von Modifikationen in das Werkstück entlang der Abtasttrajektorie T eingeschrieben wird. Für z.B. ein Trennen des Werkstücks 3 in zwei Teile bestimmt die Trajektorie T dann den Verlauf einer späteren Trennlinie. For the processing of the workpiece 3, a relative movement takes place between the optical beam shaping system 13 (the quasi-non-diffracting laser beam) and the workpiece 3, so that the quasi-non-diffracting beam 5/the focal zone 7 is at different positions along a predetermined (processing) trajectory T im Workpiece 3 can be formed. The quasi-non-diffracting laser beam 5 can preferably be moved along the scanning trajectory, so that a series of modifications is written into the workpiece along the scanning trajectory T. For e.g. separating the workpiece 3 into two parts, the trajectory T then determines the course of a subsequent separating line.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ferner eine Steuerung 21 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametem durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerung 21 elektronische Steuerungsbauteile wie einen Prozessor zum Ansteuern von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1. Beispielsweise können Betriebsparameter der Laserstrahlquelle 11 wie z.B. Pumplaserleistung, Pulsdauer, Pulsenergie, Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Elements des optischen Strahlformungssystems 13 und/oder Parameter der Werkstückhalterung 19 (zum Abfahren der Abtasttrajektorie T) eingestellt werden. In Fig. 2 wird die funktionelle Verbindung der Steuerung 21 mit den verschiedenen ansteuerbaren Komponenten durch gestrichelte Verbindungen 21 A angezeigt.
Allgemein kann die Steuerung 21 dazu eingerichtet sein, die Phasenaufprägung derart einzustellen, dass beim Einstrahlen in das teiltransparente Material des Werkstücks, d.h., beim Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks, eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls 5 in der Fokuszone in der Längsrichtung z zumindest näherungsweise konstant ist. So kann die Steuerung 21 zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die Phasenverteilung eines einstellbaren diffrakti- ven optischen Elements (SLM) einzustellen. The laser processing system 1 also has a controller 21 which, in particular, has an interface for a user to input operating parameters. In general, the controller 21 includes electronic control components such as a processor for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 1. For example, operating parameters of the laser beam source 11 such as pump laser power, pulse duration, pulse energy, parameters for setting an optical element (e.g. an SLM) and Parameters for the spatial alignment of an optical element of the optical beam shaping system 13 and/or parameters of the workpiece holder 19 (for traversing the scanning trajectory T) can be set. In FIG. 2, the functional connection of the controller 21 to the various controllable components is indicated by dashed connections 21A. In general, the controller 21 can be set up to set the phase imprinting in such a way that when it is irradiated into the partially transparent material of the workpiece, i.e. when the phase imprinted laser radiation is focused into the partially transparent material of the workpiece, a resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam 5 in the focal zone is at least approximately constant in the longitudinal direction z. For example, the controller 21 can be set up to adjust the phase distribution of an adjustable diffractive optical element (SLM).
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 21 zum Beispiel dazu eingerichtet sein, eine Größe mindestens eines der Strahlquerschnittsbereiche R A, R_B, R_C und/oder mindestens einen der Intensitätsanteile I_A, I_B, I C einzustellen. Die Einstellung kann insbesondere derart erfolgen, dass mehrere der Intensitätsanteile der Strahlung einen Intensitätsverlust, der aufgrund der linearen Absorption entlang eines optischen Weges vom jeweiligen Strahl quer- schnittsbereich zu dem zugehörigen Abschnitt 6A_T, 6B_T, 6C_T des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls eintritt, berücksichtigen. Mit derart eingestellten Strahlparametem kann das Material in den zugehörigen Abschnitten 6A_T, 6B_T, 6C_T des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls basierend auf einer nichtlinearen Absorption, die von der Intensität des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls im jeweiligen Abschnitt abhängt, modifiziert werden. Beispielsweise kann die Steuerung 21 für die Einstellung der Größen der Intensitätsanteile I_A, I_B, I C (und/oder der Strahlquerschnittsbereiche R A, R_B, R_C) die Teleskopanordnung 13 A zum Vergrößern oder Verkleinern des Strahl durchmessers D des Rohlaserstrahls 5‘ an der Strahlformungsoptik 15 ansteuern. Alternatively or additionally, the controller 21 can be set up, for example, to set a size of at least one of the beam cross-sectional areas R A , R_B, R_C and/or at least one of the intensity components I_A, I_B, I C . The adjustment can be made in particular such that several of the intensity components of the radiation take into account an intensity loss that occurs due to the linear absorption along an optical path from the respective beam cross-sectional area to the associated section 6A_T, 6B_T, 6C_T of the quasi-non-diffracting laser beam. With beam parameters set in this way, the material in the associated sections 6A_T, 6B_T, 6C_T of the quasi-non-diffracting laser beam can be modified based on a non-linear absorption that depends on the intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the respective section. For example, the controller 21 for setting the sizes of the intensity components I_A, I_B, I C (and/or the beam cross-sectional areas R A, R_B, R_C) can control the telescope arrangement 13 A to increase or decrease the beam diameter D of the raw laser beam 5 'on the beam shaping optics 15 .
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 21 zum Beispiel dazu eingerichtet sein, dass für ein Material mit einer linearen Absorption, die von einer linearen Absorption des teiltransparenten Materials abweicht, für das eine Phasenaufprägung ausgelegt wurde, eine Anpassung der transversalen Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls bei unveränderter Phasenaufprä- gung vorgenommen wird, um einen Intensitätsanteil einer Rohlaserstrahlintensität, der einer Position der Mehrzahl von Positionen zugeführt wird, zu erhöhen oder zu verkleinern und dadurch die Abweichung in der linearen Absorption auszugleichen. Alternatively or additionally, the controller 21 can be set up, for example, that for a material with a linear absorption that deviates from a linear absorption of the partially transparent material for which a phase imprint was designed, an adjustment of the transversal intensity distribution of the raw laser beam with an unchanged phase imprint ment is made to increase or decrease an intensity component of a raw laser beam intensity applied to one position of the plurality of positions, thereby compensating for the deviation in linear absorption.
Allgemein wird die für die Materialbearbeitung verwendete Laserstrahlung, d. h. der Laserstrahl 5“, der Rohlaserstrahl 5‘ und der Laserstrahl 5, durch Strahlparameter wie Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Ausbildung von Pulsgruppen, Strahldurchmesser,
transversales Intensitätsprofil, transversales Eingangsphasenprofil, Eingangsdivergenz und/oder Polarisation bestimmt. In general, the laser radiation used for material processing, ie the laser beam 5", the raw laser beam 5' and the laser beam 5, is defined by beam parameters such as wavelength, spectral width, temporal pulse shape, formation of pulse groups, beam diameter, transverse intensity profile, transverse input phase profile, input divergence and/or polarization.
Beispielhafte Parameter der Laserstrahlung, die im Rahmen dieser Offenbarung eingesetzt werden können, sind: Exemplary parameters of laser radiation that can be used within the scope of this disclosure are:
Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 20 pj und 5 mJ (z.B. 1200 pj), typischerweise zwischen 100 pj und 1 mJ Laser pulse energies/energy of a laser pulse group (burst): e.g. in the mJ range and more, for example in the range between 20 pj and 5 mJ (e.g. 1200 pj), typically between 100 pj and 1 mJ
Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 pm > k > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm) Wavelength ranges: IR, VIS, UV (e.g. 2 pm > k > 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise einige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden Pulse duration (FWHM): a few picoseconds (e.g. 3 ps) and shorter, e.g. a few hundred or a few (tens) of femtoseconds
Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden Number of laser pulses in a burst: e.g. 2 to 4 pulses (or more) per burst with a time interval in the burst of a few nanoseconds
Anzahl der Laserpulse pro Modifikation: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifikation Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 10 kHz Number of laser pulses per modification: one laser pulse or one burst for one modification Repetition rate: usually greater than 0.1 kHz, e.g. 10 kHz
Länge der Fokuszone im Material: größer 20 pm, bis zu einigen Millimetern Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 pm, bis zu 20 pm und mehr (sich ergebende laterale Ausdehnung der Modifikation im Material: größer 100 nm, z.B. 300 nm oder 1 pm, bis zu 20 pm und mehr) Length of the focal zone in the material: greater than 20 pm, up to a few millimeters Diameter of the focal zone in the material: greater than 1 pm, up to 20 pm and more (resulting lateral extension of the modification in the material: greater than 100 nm, e.g. 300 nm or 1 pm , up to 20 pm and more)
Vorschub d zwischen zwei benachbarten Modifikationen: mindestens die laterale Ausdehnung der Modifikation in Vorschubrichtung (üblicherweise mindestens das Doppelte der Ausdehnung, beispielsweise das Vierfache der Ausdehnung) Feed d between two adjacent modifications: at least the lateral extent of the modification in the direction of advance (usually at least twice the extent, for example four times the extent)
Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe/Burst von Laserpulsen, die zur Bildung einer einzigen Modifikation an einem Ort im Material des Werkstücks führen. Ist die Einwirkdauer wie die Pulsdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, trägt ein Laserpuls und tragen alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zu einer einzigen Modifikation an einem Ort bei. Bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeit können auch durchgehende Modifikationszonen, die aneinander angrenzende und ineinander übergehende Modifikationen umfassen, entstehen.
Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Materialbearbeitung mit quasi -nichtbeugenden Strahlen erlauben, die bis zu beispielsweise 20 mm und mehr (typisch 100 pm bis 10 mm) in ein teiltransparentes Werkstück hineinragen. The pulse duration refers to a single laser pulse. Similarly, an exposure time refers to a group/burst of laser pulses that result in the formation of a single modification at a location in the material of the workpiece. If the exposure time, like the pulse duration, is short with respect to a given feed rate, one laser pulse and all laser pulses of a group of laser pulses contribute to a single modification at one location. At lower feed rates, continuous modification zones, which include modifications that border on one another and merge into one another, can also arise. The aforementioned parameter ranges can allow material processing with quasi-non-diffracting beams that protrude up to, for example, 20 mm and more (typically 100 μm to 10 mm) into a partially transparent workpiece.
Gemäß Fig. 2 wird der Laserstrahl 5“ dem optischen Strahlformungssystem 13 zur Strahlformung, d.h. zum Umwandeln eines oder mehrerer der Strahlparameter, zugeführt. Üblicherweise wird der Laserstrahl 5“ und entsprechend der Rohlaserstrahl 5‘ angenähert ein kolli- mierter Gauß-Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil sein. According to Fig. 2, the laser beam 5" is fed to the optical beam shaping system 13 for beam shaping, i.e. for converting one or more of the beam parameters. Usually, the laser beam 5″ and correspondingly the raw laser beam 5′ will be approximately a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile.
Der Ausbreitung der Laserstrahlung und insbesondere dem optischen Strahlformungssystem 13 kann eine optische Achse 9 zugeordnet werden, die bevorzugt durch einen Symmetriepunkt der Strahlformungsoptik 15 (z.B. durch eine Strahlmittenposition eines Axicons (Axicon- spitze) oder eines diffraktiven optischen Strahlformungselements) verläuft. Die Propagation der Laserstrahlung erfolgt entlang der optischen Achse 9. Bei einem rotationssymmetrischen Laserstrahl 5“ kann ein Intensitätsmaximum eines transversalen Strahlprofils des Laserstrahls 5“ (gaußförmige Intensitätsverteilung G in Fig. 2) entlang der optischen Achse 9 des optischen Strahlformungssystems 13 einfallen. Abhängig vom Durchmesser D der Intensitätsverteilung G wird ein entsprechend großer Bereich der Strahlformungsoptik 15 ausgeleuchtet. The propagation of the laser radiation and in particular the optical beam shaping system 13 can be assigned an optical axis 9 which preferably runs through a point of symmetry of the beam shaping optics 15 (e.g. through a beam center position of an axicon (axicon tip) or a diffractive optical beam shaping element). The laser radiation is propagated along the optical axis 9. In the case of a rotationally symmetrical laser beam 5", an intensity maximum of a transversal beam profile of the laser beam 5" (Gaussian intensity distribution G in Fig. 2) can occur along the optical axis 9 of the optical beam shaping system 13. Depending on the diameter D of the intensity distribution G, a correspondingly large area of the beam shaping optics 15 is illuminated.
Das optische Strahlformungssystem 13 formt aus dem Rohlaserstrahl 5' den quasi -nichtbeugenden Laserstrahl 5, der die Fokuszone 7 bildet. Z.B. kann ein Bessel-Gauß-Strahl mit einem gewöhnlichen oder inversen Bessel-Strahl-artigen Strahlprofil mit Hilfe der Strahlformungsoptik 15 erzeugt werden. The optical beam shaping system 13 forms the quasi non-diffracting laser beam 5 from the raw laser beam 5 ′, which forms the focal zone 7 . For example, a Bessel-Gaussian beam with an ordinary or inverse Bessel-beam-like beam profile can be generated by means of the beam shaping optics 15.
Allgemein gilt für die Bearbeitung teiltransparenter Werkstoffe mittels nichtlinearer Absorption, dass, sobald eine nichtlineare Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die resultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflussen kann. Bei quasi -nichtbeugenden Strahlen können die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem angepassten Einlaufwinkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zugeführt werden, sodass strahl aufwärts liegende Bereiche des quasi -nichtbeugenden Strahls nicht durchstrahlt werden. Ein Beispiel für eine derartige Energiezufuhr ist der Bessel-Gauß-Strahl, bei dem eine ringförmige Fernfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist (siehe Abbildung (b) der Fig. 1). Bei einem rotationssymmetrischen Bessel-Gauß-Strahl werden der
Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse radiale Strahlanteile im Wesentlichen mit diesem vorbestimmten Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Ähnliches gilt für den inversen Bessel -Gauß- Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte, asymmetrische oder modulierte (inverse) Bessel-Strahlen. In general, when processing partially transparent materials using non-linear absorption, it applies that as soon as non-linear absorption occurs, this absorption itself or the resulting change in the material properties can influence the propagation of laser radiation. In the case of quasi-non-diffracting beams, the beam portions used for modification further downstream can be fed to the interaction zone at an adapted angle of incidence to the focal zone axis, so that the areas of the quasi-non-diffracting beam lying upstream are not irradiated. An example of such an energy input is the Bessel-Gaussian beam, which has an annular far-field distribution whose annular width is typically small compared to the radius (see panel (b) of Figure 1). With a rotationally symmetrical Bessel-Gaussian beam, the Interaction zone / focus zone axis radial beam components supplied essentially rotationally symmetrically with this predetermined angle. The same applies to the inverse Bessel-Gauss beam and to modifications such as homogenized, asymmetric or modulated (inverse) Bessel beams.
Auch wenn Bereiche nichtlinearer Absorption bei der Zufuhr von Laserstrahlung zu strahlabwärts liegenden Abschnitten vermieden werden können, wirkt sich die lineare Absorption des teiltransparenten Werkstücks auf die Laserstrahlung aus, die strahlabwärts liegende Abschnitte des quasi-nichtbeugenden Strahls ausbildet. Even if areas of non-linear absorption can be avoided when laser radiation is supplied to downstream sections, the linear absorption of the partially transparent workpiece affects the laser radiation that forms downstream sections of the quasi-non-diffracting beam.
Mit Bezug auf die Figuren 3D bis 3F wird eine Betrachtung der Auswirkung der absorbierenden Materialeigenschaft eines teiltransparenten Werkstücks 3 zusammengefasst. Man erkennt ein Einlaufen der (radialen) Strahlanteile unter einem Einlaufwinkel ß in Luft bzw. einem Einlaufwinkel (Konuswinkel) ß' im Material auf die optische Achse 9 des Laserstrahls. Der Einlaufwinkel ß' ist bei einem Brechungsindex n des Werkstücks gegeben durch
. Der quasi-nichtlineare Strahl kann sich entlang der Strahlachse 9 im Werkstück 3 durch Interferenz der einlaufenden Strahlanteile über eine gesamte Dicke d des teiltransparenten Werkstücks 3 ausbilden. A consideration of the effect of the absorbent material property of a partially transparent workpiece 3 is summarized with reference to FIGS. 3D to 3F. One can see that the (radial) beam components arrive at an angle of incidence β in air or an angle of incidence (cone angle) β' in the material onto the optical axis 9 of the laser beam. With a refractive index n of the workpiece, the angle of incidence β' is given by . The quasi-nonlinear beam can form along the beam axis 9 in the workpiece 3 through interference of the incoming beam components over an entire thickness d of the partially transparent workpiece 3 .
Die lineare Absorption kann durch die „optical depth“ beschrieben werden gemäß
. Aus ihr ergibt sich der Absorptionskoeffizient a zu: !
The linear absorption can be described by the "optical depth" according to . The absorption coefficient a results from it: !
Die lineare Absorption findet entlang der optischen Wege bis zu Positionen x (in Zusammenhang mit den Figuren 3D bis 3F erfolgt die Propagation der Laserstrahlung in x-Richtung) auf der optischen Achse 9 statt. Die zugehörigen Weglängen sind gegeben durch
. The linear absorption takes place along the optical paths up to positions x (in connection with FIGS. 3D to 3F the propagation of the laser radiation takes place in the x-direction) on the optical axis 9 . The associated path lengths are given by .
Mit einem modifizierten Absorptionskoeffizienten
ergibt sich die Leistungsabnahme entlang den optischen Wegen zu
. Die LeistungsabnahmeWith a modified absorption coefficient the decrease in power along the optical paths results in . The decrease in performance
(Dämpfungsverhalten im Material) entlang der optischen Achse ergibt sich zu
(damping behavior in the material) along the optical axis results in
Beispielsweise zeigt Fig. 3E das Dämpfungsverhalten für ein teiltransparentes Material der Dicke d = 1 mm und einem Brechungsindex von n = 1,45 bei einem Konuswinkel der
phasenaufgeprägten Strahlung von ß = 20°. Angenommen 50 % der Leistung werden im Material linear absorbiert (PO = 1 auf der Eintrittsseite, Pd = 0,5 auf der Austrittsseite), so ergibt sich ein modifizierten Absorptionskoeffizient a‘ von 0,71. For example, FIG. 3E shows the attenuation behavior for a partially transparent material with a thickness d=1 mm and a refractive index of n=1.45 at a cone angle of phase imposed radiation of ß = 20°. Assuming 50% of the power is linearly absorbed in the material (PO = 1 on the entry side, Pd = 0.5 on the exit side), this results in a modified absorption coefficient a' of 0.71.
Fig. 3E zeigt den exponentiellen Leistungsabfall P(x). Zur Kompensation des Dämpfungsverhaltens im Material ergibt die Invertierung von P(x) die benötigte Kompensation
Fig. 3F zeigt die Kompensationsfunktion Pk(x) für die obigen beispielhaft diskutierten Werte. Der Verlauf der Kompensationsfunktion im teiltransparenten Material entspricht dem benötigten Intensitätsverlauf auf der optischen Achse 9 des nichtbeugenden Strahls für den Fall, dass keine lineare Absorption vorliegt. 3E shows the exponential power decay P(x). To compensate for the damping behavior in the material, the inversion of P(x) gives the required compensation Figure 3F shows the compensation function Pk(x) for the values discussed above by way of example. The profile of the compensation function in the partially transparent material corresponds to the required intensity profile on the optical axis 9 of the non-diffracting beam in the event that there is no linear absorption.
Mit anderen Worten setzt die Ausbildung einer vergleichbaren Intensität in den Abschnitten 6A_T, 6B_T, 6C_T der Fig. 3B voraus, dass die beitragenden Anteile der Laserstrahlung 5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T einen vergleichbaren Intensitätseintrag in die entsprechenden Abschnitte des quasi -nichtbeugenden Strahls einführen. D.h., die Intensitätsanteil I_A, I_B, I C der Intensität des Rohlaserstrahls 5‘ für die verschiedenen Abschnitte 6A_T, 6B_T, 6C_T sollten vergleichbar sein, wenn in jedem der Abschnitte eine vergleichbare nichtlineare Absorption (für eine vergleichbare Wechselwirkung mit dem Material) stattfinden soll. In other words, the formation of a comparable intensity in the sections 6A_T, 6B_T, 6C_T of FIG. 3B requires that the contributing portions of the laser radiation 5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T introduce a comparable intensity entry into the corresponding sections of the quasi-non-diffracting beam. That is, the intensity components I_A, I_B, I C of the intensity of the raw laser beam 5' for the different sections 6A_T, 6B_T, 6C_T should be comparable if a comparable nonlinear absorption (for a comparable interaction with the material) is to take place in each of the sections.
Fig. 4 verdeutlicht die Auswirkung der linearen Absorption, wenn für die Bearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks ein homogenisierter Bessel-Strahl verwendet wird, der mit einer, für ein transparentes Werkstück entworfenen, Strahlformungsoptik erzeugt wird. FIG. 4 illustrates the effect of the linear absorption when a homogenized Bessel beam is used for processing a partially transparent workpiece, which is generated with beam shaping optics designed for a transparent workpiece.
Man erkennt einen Intensitätslängsschnitt 31 A durch eine Fokuszone sowie einen zugehörigen Intensitätsverlauf 31B entlang der Strahlachse 9 des homogenisierten Bessel-Strahls, wie er im transparenten Werkstück vorliegen würde. Die Maximalintensität entlang der Strahlachse 9 ist - gemäß dem Einsatz mit einem transparenten Werkstück - über eine signifikante Länge (angedeutet durch Linien 32A, 32B in Fig. 4) des quasi-nichtbeugenden Strahls im Wesentlichen konstant. An intensity longitudinal section 31A through a focal zone and an associated intensity curve 31B along the beam axis 9 of the homogenized Bessel beam can be seen, as would be present in the transparent workpiece. The maximum intensity along the beam axis 9 - as used with a transparent workpiece - is essentially constant over a significant length (indicated by lines 32A, 32B in Figure 4) of the quasi-non-diffracting beam.
Wird nun ein derartig homogenisierter Bessel-Strahl in ein teiltransparentes Material eingestrahlt, ergibt sich ein gestrichelter Intensitätsverlauf 3 IC, bei dem aufgrund der linearen Absorption die Intensität entlang der Strahlachse 9 kontinuierlich mit der Eindringtiefe in das Material abnimmt. Ein gestrichelte Intensitätsverlauf 3 ID zeigt eine entsprechende
Reduzierung der Intensität für einen modulierten quasi-nichtbeugenden Strahl, der anstelle eines homogenen Intensitätsverlaufs im transparenten Material mehrere vergleichbare Intensi- tätsmaxima in Propagationsrichtung ausbildet. If such a homogenized Bessel beam is radiated into a partially transparent material, a dashed intensity profile 3 IC results, in which the intensity along the beam axis 9 decreases continuously with the penetration depth into the material due to the linear absorption. A dashed intensity curve 3 ID shows a corresponding one Reduction of the intensity for a modulated quasi-non-diffracting beam, which forms several comparable intensity maxima in the direction of propagation instead of a homogeneous intensity curve in the transparent material.
Fig. 5 verdeutlicht in einem Flussdiagramm das hierin vorgeschlagene Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist. Teiltransparenz bedeutet, dass das Material für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Intensität der Laserstrahlung unabhängig ist. In a flow chart, FIG. 5 illustrates the method proposed here for material processing of a workpiece with a quasi-non-diffracting laser beam, the workpiece having a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam. Partial transparency means that the material has a linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam, which is independent of an intensity of the laser radiation.
Das Verfahren umfasst den Schritt 101, bei dem ein Rohlaserstrahl für die Strahlformung erzeugt wird. Die Erzeugung des Rohlaserstrahls kann in einem Schritt 101 A einen Laserstrahl mit einem Lasersystem (in Fig. 2: Laserquelle 11) mit Strahlparametern erzeugen, die auf die durchzuführende Materialbearbeitung ausgelegt sind (ausreichende Leistung, gewünschte Pulsdauer etc.). Ferner kann in einem Schritt 101B ein geometrischer Strahlparameter wie ein Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls auf ein für die Phasenaufprägung vorgesehenes Strahlformungselement, insbesondere die implementierte zweidimensionale Phasenverteilung, angepasst werden (beispielsweise in Fig. 2 mit der Strahlanpassungsoptik 17A). The method includes step 101 of generating a raw laser beam for beam shaping. In a step 101A, the generation of the raw laser beam can generate a laser beam with a laser system (in FIG. 2: laser source 11) with beam parameters that are designed for the material processing to be carried out (sufficient power, desired pulse duration, etc.). Furthermore, in a step 101B, a geometric beam parameter such as a beam diameter of the raw laser beam can be adjusted to a beam shaping element provided for the phase imprinting, in particular the implemented two-dimensional phase distribution (for example in FIG. 2 with the beam adjustment optics 17A).
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt 103, in dem der Rohlaserstrahl (in Figur 2: Rohlaserstrahl 5‘) mit einer Rohlaserstrahlintensität (hier die Intensität des gesamten Rohlaserstrahls 5‘) in ein optisches Strahlformungssystem zur Strahlformung (in Figur 2: das optische Strahlformungssystem 13, das optional die Strahlanpassungsoptik umfasst) eingestrahlt wird. Dabei ist das optische System derart eingerichtet, dass der Rohlaserstrahl (nach erfolgter Strahlformung) den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks im Werkstück ausbilden kann. Mittels des optischen Strahlformungssystems erfolgt eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart, dass der quasi-nichtbeugende Laserstrahl an der Fokuszone eine in der Längsrichtung variable Intensitätsverteilung aufweist. Aufgrund der Strahlformung werden in Propagationsrichtung angeordnete Abschnitte (in Fig. 3: Abschnitte 6A, 6B, 6C) des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls von Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls (in Fig. 2: beispielhaft die den Strahlanteilen 5A, 5B, 5C zugeordneten ringförmigen Querschnittsflächen R A, R_B, R_C) geformt. Dabei ist die Darstellung in Fig. 2
dahingehend vereinfacht, dass die Phasenaufprägung allgemein derart frei/flexibel vorgenommen werden kann, dass von verschiedenen Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls Laserstrahlung an eine Position der Fokuszone (in Längsrichtung) geführt werden kann. Dabei sind den Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls Intensitätsanteile (in Fig. 2: Intensitätsanteile I_A, I_B, I C) der Rohlaserstrahlintensität zugeordnet. The method also includes step 103, in which the raw laser beam (in Figure 2: raw laser beam 5') with a raw laser beam intensity (here the intensity of the entire raw laser beam 5') is fed into an optical beam shaping system for beam shaping (in Figure 2: the optical beam shaping system 13, which optionally includes the beam adjustment optics) is irradiated. The optical system is set up in such a way that the raw laser beam (after beam shaping has taken place) can form the quasi-non-diffracting laser beam with a focal zone extending in a longitudinal direction for the material processing of the workpiece in the workpiece. The optical beam shaping system is used to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam in such a way that the quasi-non-diffracting laser beam has an intensity distribution that is variable in the longitudinal direction at the focal zone. Due to the beam shaping, sections arranged in the direction of propagation (in Fig. 3: sections 6A, 6B, 6C) of the quasi-non-diffracting laser beam are separated from beam cross-sectional areas of the raw laser beam (in Fig. 2: for example the annular cross-sectional areas RA assigned to the beam portions 5A, 5B, 5C, R_B, R_C) shaped. The representation in Fig. 2 simplified to the effect that the phase imprinting can generally be carried out freely/flexibly in such a way that laser radiation can be guided to a position of the focal zone (in the longitudinal direction) from different beam cross-sectional areas of the raw laser beam. In this case, intensity components (in FIG. 2: intensity components I_A, I_B, IC) of the raw laser beam intensity are assigned to the beam cross-sectional areas of the raw laser beam.
Durch das Einstrahlen (Schritt 103) des Rohlaserstrahls in das optische Strahlformungssystem wird ein Strahlformen des Rohlaserstrahls (Schritt 101A) vorgenommen. So erfolgt ein Aufprägen (Schritt 103A) einer zweidimensionalen Phasenverteilung (insbesondere mit einem dif- fraktiven optischen Strahlformungselement oder mit einer z.B. (im Konuswinkel) modifizierten Axicon-Optik) auf den Strahl quer schnitt des Rohlaserstrahls 5 ‘(Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung). Die aufgeprägte zweidimensionale Phasenverteilung bewirkt, dass die phasenaufgeprägte Laserstrahlung aus den Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls den in Propagationsrichtung angeordneten Abschnitten des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls zugeführt wird. By irradiating (step 103) the raw laser beam into the beam-shaping optical system, beam-shaping of the raw laser beam (step 101A) is performed. In this way, a two-dimensional phase distribution is impressed (step 103A) (in particular with a diffractive optical beam-shaping element or with an axicon optics modified, e.g. (in the cone angle)) onto the beam cross-section of the raw laser beam 5' (formation of phase-impressed laser radiation). The imposed two-dimensional phase distribution causes the phase-impressed laser radiation from the beam cross-sectional areas of the raw laser beam to be fed to the sections of the quasi-non-diffracting laser beam arranged in the direction of propagation.
Ziel der Phasenaufprägung ist es nun, einen zumindest näherungsweise konstanten Intensitätsverlauf über eine signifikante Länge der Fokuszone im Werkstück zu erreichen und zwar trotz der Teiltransparenz des Werkstücks. The aim of phase imprinting is now to achieve an at least approximately constant intensity curve over a significant length of the focal zone in the workpiece, despite the partial transparency of the workpiece.
Dies wird im Schritt 103 durch ein Einstellen der Phasenaufprägung anhand mindestens eines der Intensitätsanteile und/oder einer Größe mindestens eines der Strahlquerschnittsbereiche umgesetzt. Die Einstellung der Phasenaufprägung erfolgt dabei derart, dass eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls beim Einstrahlen in das teiltransparente Material des Werkstücks an der Fokuszone in der Längsrichtung eben zumindest näherungsweise konstant ist. Mit anderen Worten erfolgt die Einstellung derart, dass bei der Zuordnung der Intensitätsanteile für die verschiedenen Position der Fokuszone (in Längsrichtung) jeweils ein Intensitätsverlust berücksichtigt wird, der aufgrund der linearen Absorption entlang eines optischen Weges vom jeweiligen Strahlquerschnittsbereich zu dem zugehörigen Abschnitt des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eintritt. Die Berücksichtigung wird mit Blick auf die Materialbearbeitung derart umgesetzt, dass das Material in den Abschnitten des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls basierend auf einer nichtlinearen Absorption, die von der Intensität des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im jeweiligen Abschnitt abhängt, modifiziert wird.
Im Schritt 103 kann beispielsweise für die Erzeugung eines quasi -nichtbeugenden Laserstrahls mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1 : 10, insbesondere von mindestens 1 : 100, eine Abnahme einer Intensität entlang dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl aufgrund der linearen Absorption zumindest abschnittsweise kompensiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann Schritt 103 beispielsweise umfassen, dass beim Ausbilden des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in einem Vergleichsmaterial, das im Wesentlichen keine lineare Absorption aufweist, eine Intensität entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im Vergleichsmaterial variabel ist, z.B. zunimmt. This is implemented in step 103 by adjusting the phase imprint based on at least one of the intensity components and/or a size of at least one of the beam cross-sectional areas. The phase imprint is set in such a way that a resulting intensity distribution of the quasi-non-diffracting laser beam is at least approximately constant in the longitudinal direction when radiating into the partially transparent material of the workpiece at the focal zone. In other words, the setting is made in such a way that when assigning the intensity components for the different positions of the focal zone (in the longitudinal direction), an intensity loss is taken into account in each case, which due to the linear absorption along an optical path from the respective beam cross-section area to the associated section of the quasi-non-diffractive laser beam enters. The consideration is implemented with regard to the material processing in such a way that the material in the sections of the quasi-non-diffracting laser beam is modified based on a non-linear absorption that depends on the intensity of the quasi-non-diffracting laser beam in the respective section. In step 103, for example, for the generation of a quasi-non-diffracting laser beam with an aspect ratio of at least 1:10, in particular at least 1:100, a decrease in intensity along the quasi-non-diffracting laser beam due to the linear absorption can be compensated at least in sections. Additionally or alternatively, step 103 can include, for example, that when the quasi-non-diffracting laser beam is formed in a comparison material that has essentially no linear absorption, an intensity along the quasi-non-diffracting laser beam in the comparison material is variable, eg increasing.
Im Schritt 103 kann eine speziell die lineare Absorption berücksichtigende Phasenaufprägung im Strahlformungssystem eingestellt werden. Beispielsweise können aufzuprägende Phasenanstiege in radialer Richtung in einer Mehrzahl von Strahlquerschnittsbereichen eingestellt werden (Schritt 103A). In der Phasenaufprägung können ferner geometrische Parameter (wie Größe und Lage) der Strahlquerschnittsbereiche angepasst/eingestellt werden (Schritt 103B). So können Größen von Strahlquerschnittsbereichen und/oder Lagen von Strahlquerschnittsbereichen bezüglich des Rohlaserstrahls, die einer einheitlichen Phasenaufprägung ausgesetzt werden, an vorgegebene Intensitätsanteile des Rohlaserstrahls angepasst werden. Neben diskreten z.B. ringförmigen Strahlquerschnittsbereichen können sich verschiedene Phasenaufprägung auch in einem Strahlquerschnittsbereich überlagern; beispielsweise können mehrere Phasenanstiege in radialer Richtung in einem Strahlquerschnittsbereich gleichzeitig umgesetzt werden, um aus diesem Strahlquerschnittsbereich Laserstrahlung mehreren Positionen entlang der optischen Achse zuzuführen. In step 103, a phase imprint specifically taking into account the linear absorption can be set in the beam shaping system. For example, phase increases to be impressed in the radial direction can be set in a plurality of beam cross-sectional areas (step 103A). Furthermore, geometric parameters (such as size and position) of the beam cross-section areas can be adjusted/adjusted in the phase imprint (step 103B). In this way, sizes of beam cross-sectional areas and/or positions of beam cross-sectional areas with respect to the raw laser beam, which are exposed to a uniform phase imprint, can be adapted to predetermined intensity components of the raw laser beam. In addition to discrete, e.g. for example, multiple phase increases in the radial direction can be implemented simultaneously in a beam cross-sectional area in order to deliver laser radiation to multiple positions along the optical axis from this beam cross-sectional area.
Zusätzlich oder alternativ kann in Schritt 103 ferner ein Strahl durchmesser des Rohlaserstrahls an der Strahlformungsoptik eingestellt werden, um den Strahlquerschnittsbereichen (R A, R_B, R_C) zugeordneten Intensitätsanteile des Rohlaserstrahls einzustellen (Schritt 103C). So kann der Strahldurchmesser vergrößert oder verkleinert werden, um eine Phasenaufprägung, die auf eine andere als eine lineare Absorption eines zur Bearbeitung vorliegenden Materials ausgelegt wurde, auch für die andere lineare Absorption zu nutzen. Additionally or alternatively, in step 103, a beam diameter of the raw laser beam can also be set at the beam shaping optics in order to set the intensity components of the raw laser beam assigned to the beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) (step 103C). In this way, the beam diameter can be enlarged or reduced in order to use a phase imprint, which was designed for an absorption other than linear absorption of a material to be processed, for the other linear absorption as well.
In einem Schritt 105 können Strahlparameter des Laserstrahls wie Pulsdauer und Pulsenergie nachgeregelt werden, sodass das Material des Werkstücks im quasi-nichtbeugenden Strahl (strukturell) modifiziert wird.
In einem Schritt 107 wird die phasenaufgeprägte Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks fokussiert; d.h., zumindest ein Teil des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls wird im Werkstück derart positioniert, dass die eintretende lineare Absorption zumindest teilweise durch die Phasenaufprägung kompensiert wird. In a step 105, beam parameters of the laser beam such as pulse duration and pulse energy can be readjusted, so that the material of the workpiece is (structurally) modified in the quasi-non-diffracting beam. In a step 107, the phase-impressed laser radiation is focused into the partially transparent material of the workpiece; ie at least part of the quasi-non-diffracting laser beam is positioned in the workpiece in such a way that the linear absorption that occurs is at least partially compensated for by the phase imprint.
Ferner kann in einem Schritt 109 einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl vorgenommen werden, bei der der quasi -nichtbeugende Laserstrahl entlang einer Abtasttrajektorie wiederholt im Material des Werkstücks positioniert wird, sodass eine Anordnung/ Aufreihung von Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie eingeschrieben wird. Furthermore, in a step 109, a relative movement between the workpiece and the quasi-non-diffracting laser beam can be carried out, in which the quasi-non-diffracting laser beam is repeatedly positioned in the material of the workpiece along a scanning trajectory, so that an arrangement/arrangement of modifications in the material of the workpiece is written along the scanning trajectory.
Die Figuren 6Aund 6B verdeutlichen eine modifizierte Geometrie eines Axicons für einen homogenisierten Bessel-Gauß-Strahl zur Bearbeitung eines teiltransparenten Materials. Fig. 6A zeigt eine lineare Abnahme der Dicke d eines konventionellen Axicons mit dem Abstand von der optischen Achse 9. Im Unterschied hierzu zeigt Fig. 6B eine Abnahme der Dicke d für ein entsprechend modifiziertes Axicon. Man erkennt eine anfangs (radial innen) stärkere Abnahme der Dicke d, gefolgt von einer langsameren Abnahme der Dicke d und wieder gefolgt von einer stärkeren Abnahme der Dicke d. Die Variation der Dicke d bewirkt, dass Intensitätsanteile in Propagationsrichtung nach hinten in den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl verscho- ben/gebrochen werden. Die sich ergebende homogenisierte Intensitätsverteilung im teiltransparenten Werkstück entspricht dann bevorzugt der bereits in Fig. 4 gezeigten Intensitätsverteilung für die Bearbeitung eines im Wesentlichen transparenten Materials. FIGS. 6A and 6B illustrate a modified geometry of an axicon for a homogenized Bessel-Gaussian beam for processing a partially transparent material. FIG. 6A shows a linear decrease in the thickness d of a conventional axicon with the distance from the optical axis 9. In contrast to this, FIG. 6B shows a decrease in the thickness d for a correspondingly modified axicon. An initially (radially inward) greater decrease in the thickness d can be seen, followed by a slower decrease in the thickness d and again followed by a greater decrease in the thickness d. The variation in thickness d causes intensity components to be shifted/refracted backwards in the direction of propagation into the quasi-non-diffracting laser beam. The resulting homogenized intensity distribution in the partially transparent workpiece then preferably corresponds to the intensity distribution already shown in FIG. 4 for the processing of a substantially transparent material.
Wie bereits erwähnt wurde, kann eine entsprechende Phasenaufprägung alternativ oder zusätzlich reflektiv oder mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement vorgenommen werden. As already mentioned, a corresponding phase impression can alternatively or additionally be carried out reflectively or with a diffractive optical beam-shaping element.
Fig. 6C zeigt einen zwischen +7t und -7t oszillierenden Phasenverlauf (berechnet in einer Dün- nen-Elemente-Näherung), wie er mit Phasenschiebungswerten eines diffraktiven optischen Strahlformungselements nachgebildet werden kann. Das Einstellen der Phasenaufprägung mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement umfasst in einem rotationssymmetrischen Fall ein Einstellen von auf Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls aufgeprägten (sägezahnförmigen) Phasenanstiegen in radialer Richtung.
Im Speziellen zeigt Fig. 6C den Phasenverlauf, der einer Phasenaufprägung in einem zentralen Bereich des modifizierten Axicons der Fig. 6B entspricht; d.h., der Phasenverlauf bildet das Höhenprofil des modifizierten Axicons nach. In Fig. 6B ist nur schwer zu erkennen, wie die Oszillation der Phasenschiebungswerte zwischen +K und -7t in ihrer Oszillationsfrequenz in radialer Richtung variiert, um die Abweichung vom festen Konuswinkel nachzuvollziehen. 6C shows a phase curve (calculated in a thin element approximation) oscillating between +7t and -7t, as can be simulated with phase shift values of a diffractive optical beam-shaping element. In a rotationally symmetrical case, adjusting the phase imprinting with a diffractive optical beam-shaping element includes adjusting (sawtooth-shaped) phase increases in the radial direction that are imprinted on beam cross-sectional areas of the raw laser beam. In particular, FIG. 6C shows the phase curve corresponding to a phase imprint in a central region of the modified axicon of FIG. 6B; ie the phase profile reproduces the height profile of the modified axicon. In Fig. 6B it is difficult to see how the oscillation of the phase shift values between +K and -7t varies in their oscillation frequency in the radial direction in order to understand the deviation from the fixed cone angle.
Fig. 7 verdeutlicht die Ausbildung von Intensitätsverteilungen für die Materialbearbeitung von teiltransparenten Werkstücken mit einem rotationssymmetrischen optischen Strahlformungssystem und entsprechend rotationssymmetrischen Laserstrahlen und Intensitätsverteilungen. 7 illustrates the formation of intensity distributions for the material processing of partially transparent workpieces with a rotationally symmetrical optical beam shaping system and correspondingly rotationally symmetrical laser beams and intensity distributions.
Fig. 7 zeigt den Rohlaserstrahl 5‘, kurz bevor er auf ein konventionelles Axicon 15B bzw. ein modifiziertes Axicon 15C auftrifft. Ferner zeigt Fig. 7 Intensitätsverteilungen schematisiert, wie sie sich aufgrund der Strahlformung ergeben, und zwar nach oben aufgetragen in einem im Wesentlichen transparenten Material, d. h. ohne lineare Absorption (Intensität I(-)), bzw. nach unten aufgetragen in einem teiltransparenten Material, d. h. mit linearer Absorption (Intensität I (+)). 7 shows the raw laser beam 5' just before it hits a conventional axicon 15B or a modified axicon 15C. Furthermore, FIG. 7 shows intensity distributions in a schematized form as they result from the beam shaping, specifically applied upwards in a substantially transparent material, ie. H. without linear absorption (intensity I(-)), or plotted downwards in a partially transparent material, i. H. with linear absorption (intensity I (+)).
Das konventionelle Axicon 15B formt bei einem einfallenden Gauß-Strahl (beispielhaft Intensitätsverteilung G l) einen Bessel-Gauß-Strahl mit einer longitudinalen Intensitätsverteilung BG l(-) im transparenten Material und einen verformten Bessel-Gauß-Strahl mit einer longitudinalen Intensitätsverteilung BG_1(+) im teiltransparenten Material, wobei die Intensitätsverteilung BG_1(+) aufgrund der linearen Absorption in Propagationsrichtung schneller abnimmt als die Intensitätsverteilung BG_1 (-). With an incident Gaussian beam (example intensity distribution G l), the conventional axicon 15B forms a Bessel-Gaussian beam with a longitudinal intensity distribution BG l(-) in the transparent material and a deformed Bessel-Gaussian beam with a longitudinal intensity distribution BG_1(+ ) in the partially transparent material, where the intensity distribution BG_1(+) decreases faster than the intensity distribution BG_1(-) due to the linear absorption in the propagation direction.
Für die Bearbeitung eines transparenten Materials kann das modifizierte Axicon 15B beispielsweise derart modifiziert, sein dass bei einem einfallenden Gauß-Strahl mit der Intensitätsverteilung G l und dem entsprechenden Strahldurchmesser D l im transparenten Material ein in Propagationsrichtung homogenisierter Bessel-Gauß-Strahl mit einer homogenisierten Intensitätsverteilung BG h(-) (entsprechend 31B in Fig. 4) ausgebildet wird. Ebenfalls wie in Fig. 4 angedeutet wird diese homogenisierte Intensitätsverteilung aufgrund der linearen Absorption bei der Einstrahlung in ein teiltransparentes Material verformt (Intensitätsverteilung BG_h(+); entsprechend 3 IC in Fig. 4). Vorausgesetzt, dass entsprechende Strahlparameter des Rohlaserstrahls 5‘ wie Pulsdauer und Pulsenergie eingestellt wurden, kann die homogenisierte Intensitätsverteilung BG h(-) Intensitäten erzeugen, die über eine Länge L(-) in
Ausbreitungsrichtung zu einer nichtlinearen Absorption/Wechselwirkung mit dem transparenten Material führen. Man erkennt an der Intensitätsverteilung BG_h(+), dass diese Länge bei der Einstrahlung in ein teiltransparentes Material wesentlich verkürzt wird. For the processing of a transparent material, the modified axicon 15B can be modified, for example, in such a way that with an incident Gaussian beam with the intensity distribution G l and the corresponding beam diameter D l in the transparent material, a Bessel-Gaussian beam homogenized in the propagation direction with a homogenized intensity distribution BG h(-) (corresponding to 31B in Fig. 4). Also as indicated in FIG. 4, this homogenized intensity distribution is deformed due to the linear absorption during irradiation into a partially transparent material (intensity distribution BG_h(+); corresponding to 3 IC in FIG. 4). Provided that the corresponding beam parameters of the raw laser beam 5', such as pulse duration and pulse energy, have been set, the homogenized intensity distribution BG h(-) can generate intensities over a length L(-) in Direction of propagation lead to a non-linear absorption / interaction with the transparent material. It can be seen from the intensity distribution BG_h(+) that this length is significantly reduced when irradiating a partially transparent material.
Zur Kompensation der linearen Absorption kann die Phasenaufprägung, d.h., beim Beispiel des modifizierten Axicons die Abnahme der Dicke d des Axicons mit dem Abstand von der Strahlachse 9 und bei einem diffraktiven optischen Element die Einstellung der Phasenschiebungswerte, angepasst werden, um durch „Umverteilen der Intensitätsanteile“ in der Längsrichtung z eine zumindest näherungsweise konstante Intensitätsverteilung zu bewirken. To compensate for the linear absorption, the phase imprint, i.e. in the example of the modified axicon the decrease in the thickness d of the axicon with the distance from the beam axis 9 and in the case of a diffractive optical element the setting of the phase shift values, can be adjusted in order to “redistribute the intensity components “ to cause an at least approximately constant intensity distribution in the longitudinal direction z.
Werden die Intensitätsanteile derart umverteilt, dass der Anstieg in Propagationsrichtung an die lineare Absorption angepasst ist und die Intensitätsabnahme im Wesentlichen kompensiert, kann sich so im teiltransparenten Material eine harmonisierte Intensitätsverteilung BG_2h(+) ausbilden. Auf diese Weise kann die homogenisierte Intensitätsverteilung BG_2h (+) Intensitäten erzeugen, die - vorausgesetzt, dass entsprechende Strahlparameter des Rohlaserstrahls 5‘ eingestrahlt wurden - über eine Länge L(+) in Ausbreitungsrichtung zu einer nichtlinearen Absorption/Wechselwirkung mit dem teiltransparenten Material führen. Vorausgesetzt eine entsprechende Laserleistung steht zur Verfügung, kann die Länge L(+) vergleichbar zu der Länge L(-) dimensioniert werden. Würde ein derart phasenaufgeprägter Laserstrahl in ein transparentes Material eingestrahlt, ergibt sich eine Intensitätsverteilung BG_2(-) entlang dem quasi- nichtbeugenden Laserstrahl, die mit der Eindringtiefe zunimmt. If the intensity components are redistributed in such a way that the increase in the direction of propagation is adapted to the linear absorption and the decrease in intensity is essentially compensated, a harmonized intensity distribution BG_2h(+) can be formed in the partially transparent material. In this way, the homogenized intensity distribution BG_2h (+) can generate intensities which - provided that the corresponding beam parameters of the raw laser beam 5' have been irradiated - lead to a non-linear absorption/interaction with the partially transparent material over a length L(+) in the direction of propagation. Provided a corresponding laser power is available, the length L(+) can be dimensioned comparable to the length L(-). If such a phase-impressed laser beam were radiated into a transparent material, an intensity distribution BG_2(-) results along the quasi-non-diffracting laser beam, which increases with the penetration depth.
Zur Kompensation der linearen Absorption kann alternativ oder ergänzend ferner beispielsweise mit dem Teleskop 17A der Strahl durchmesser des einfallenden Rohlaserstrahls 5‘ vergrößert werden (Strahldurchmesser D_2 in Fig. 7). Dadurch wird der Intensitätsanteil in den Querschnittsbereichen R_B, R_C erhöht. Da beispielsweise bei der Phasenaufprägung für die homogenisierte Intensitätsverteilung BG h(-) die äußeren Strahlanteile zu den hinteren Abschnitten 6B_T, 6C_T des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls beitragen, kann durch Vergrößern des Strahlradius bei einem Bessel-Gauß-Strahl (ausgehend von z.B. einer Phasenaufprägung für eine im transparenten Material homogenisierte Intensitätsverteilung BG_h(-)) im teiltransparenten Material die Absorption zumindest abschnittsweise kompensiert werden. Mit anderen Worten kann die Intensität entlang dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zumindest näherungsweise konstant vorliegen (ähnlich der homogenisierten Intensitätsverteilung BG_2h (+)). Im transparenten Material würde die Intensität entlang dem quasi-nichtbeugenden
Laserstrahl zunehmen (Intensitätsverteilung BG_2(-)). Es wird angemerkt, dass die Intensitätsverläufe in Fig. 7 schematisiert dargestellt sind, um Intensitätsabnahmen oder Zunahmen anzudeuten, wobei auch die exponentiellen Einflüsse der linearen Absorption schematisch angedeutet sind. To compensate for the linear absorption, the beam diameter of the incident raw laser beam 5' can be increased alternatively or additionally, for example with the telescope 17A (beam diameter D_2 in FIG. 7). This increases the intensity component in the cross-sectional areas R_B, R_C. For example, since the outer beam components contribute to the rear sections 6B_T, 6C_T of the quasi-non-diffracting laser beam in the phase imprint for the homogenized intensity distribution BG h(-), by increasing the beam radius in a Bessel-Gaussian beam (starting from, for example, a phase imprint for an intensity distribution BG_h(-)) homogenized in the transparent material, the absorption can be compensated for at least in sections in the partially transparent material. In other words, the intensity along the quasi-non-diffracting laser beam can be at least approximately constant (similar to the homogenized intensity distribution BG_2h (+)). In the transparent material, the intensity would be along the quasi-non-diffractive Laser beam increase (intensity distribution BG_2(-)). It is noted that the intensity profiles are shown schematically in FIG. 7 in order to indicate decreases or increases in intensity, with the exponential influences of the linear absorption also being indicated schematically.
Wie in Zusammenhang mit Fig. 7 angedeutet wurde, ergeben sich bei der Verwendung einer Strahlformungsoptik, die für ein transparentes Material optimiert wurde, mit einem angepassten Strahldurchmesser Unterschiede in den Intensitätsverteilungen für das transparente Material bzw. das teiltransparente Material. Der Fachmann wird anerkennen, dass dies auf die grobe Einstellung der Intensitätsanteile bei einer reinen Strahl aufweitung zurückgeht. Ferner können in Mischkonfigurationen der Strahlformungsoptik Intensitätsverteilungen erzeugt werden, die sowohl für transparente Materialien bei einem vorgegebenen Strahldurchmesser als auch für teiltransparente Materialien bei einem anderen Strahldurchmesser geeignet sind. As indicated in connection with FIG. 7, when using beam shaping optics that have been optimized for a transparent material, with an adapted beam diameter, there are differences in the intensity distributions for the transparent material or the partially transparent material. Those skilled in the art will recognize that this is due to the coarse adjustment of the intensity components in pure beam expansion. Furthermore, in mixed configurations of the beam shaping optics, intensity distributions can be generated which are suitable both for transparent materials with a given beam diameter and for partially transparent materials with a different beam diameter.
Fig. 8 verdeutlicht in einer Darstellung Details eines in einem teiltransparenten Material erzeugten quasi -nichtbeugenden Laserstrahls mit einem zentralen Intensitätsmaximum. Abbildung (a) zeigt einen Schnitt in Propagationsrichtung (z -Richtung), in dem man das ausgeprägte zentrale Intensitätsmaximum begleitet von radial außen liegenden (ringförmigen) Ne- benmaxima erkennt. Abbildung (b) zeigt einen Intensitätsverlauf in z-Richtung, der über im Wesentlichen die gesamte Länge ein Plateau ausbildet (homogenisierte Intensitätsverteilung). Die Abbildungen (cl), (c2) und (c3) zeigen jeweils einen Intensitätsverlauf (Strahlprofil) in einer transversalen Schnittebene (x-y -Ebene) am Anfang, in der Mitte und am Ende des Plateaus. FIG. 8 illustrates details of a quasi-non-diffracting laser beam with a central intensity maximum generated in a partially transparent material. Figure (a) shows a section in the direction of propagation (z-direction), in which the pronounced central intensity maximum can be seen accompanied by radially outer (ring-shaped) secondary maxima. Figure (b) shows an intensity curve in the z-direction, which forms a plateau over essentially the entire length (homogenized intensity distribution). Figures (c1), (c2) and (c3) each show an intensity curve (beam profile) in a transversal section plane (x-y plane) at the beginning, in the middle and at the end of the plateau.
Das mittlere Strahlprofil bei z = 75 a.u. (Mitte des Plateaus) skaliert in den transversalen Dimensionen etwa um einen Faktor 2 im Vergleich zu den Profilen bei z = 10 a.u. (Anfang des Plateaus) bzw. z = 110 a.u. (Ende des Plateaus). Dies erkennt man z.B. am Durchmesser des zentralen Maximums. Die Variationen im Durchmesser des zentralen Maximums gehen darauf zurück, dass mehrere Einlaufwinkel beitragen und ein transversales Ausmaß des quasi-nicht- beugenden Laserstrahls von beitragenden Einlaufwinkeln auf die optische Achse an einer Position der Fokuszone in Längsrichtung abhängt. The mean beam profile at z = 75 a.u. (mid-plateau) scales in the transverse dimensions by a factor of about 2 compared to the profiles at z = 10 a.u. (beginning of the plateau) or z = 110 a.u. (end of plateau). This can be recognized, for example, by the diameter of the central maximum. The variations in the diameter of the central maximum are due to the fact that several angles of incidence contribute and a transverse extent of the quasi-non-diffracting laser beam depends on angles of incidence contributing to the optical axis at a longitudinal position of the focal zone.
Allgemein ist bei der Verwendung eines Beitrags von mehreren Einlaufwinkeln für die Intensität an einer Position in Längsrichtung zu beachten, dass die Einlaufwinkel (für eine
durchgehend möglichst konstante Intensität) möglichst nicht zu einer Phasenverschiebung führen, die destruktive Interferenz bewirken. So weist Laserstrahlung, die unter einem ersten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, bevorzugt einen Phasenunterschied von weniger als ±7t/4 bezüglich Laserstrahlung auf, die unter einem zweiten Winkel an die (gleiche) mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird. In general, when using a contribution from multiple angles of arrival for the intensity at a longitudinal position, it should be noted that the angles of arrival (for a intensity that is as constant as possible throughout) if possible do not lead to a phase shift that causes destructive interference. Thus, laser radiation directed at a first angle to the at least one position of the plurality of positions preferably has a phase difference of less than ±7t/4 with respect to laser radiation directed at a second angle to the (same) at least one position of the plurality is guided by positions.
Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass für einen inversen Bessel-Gauß-Strahl, der für ein teiltransparentes Material homogenisiert wurde, Strahlbeiträge des Zentrums des einfallenden Rohlaserstrahls zur Intensität am Ende des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls beitragen. Wenn für einen derartigen homogenisierten inversen Bessel-Gauß-Strahl eine Intensitätszunahme (ohne lineare Absorption) entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls erreicht werden soll, ist entsprechend eine Verkleinerung des Strahl quer Schnitts notwendig, um entsprechend Intensitätsanteile zu erhöhen, die den strahlabwärts liegenden Abschnitten des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls zugeordnet sind. For the sake of completeness it is noted that for an inverse Bessel-Gaussian beam homogenized for a partially transparent material, ray contributions from the center of the incident raw laser beam contribute to the intensity at the end of the quasi-non-diffractive laser beam. If an intensity increase (without linear absorption) along the quasi-non-diffracting laser beam is to be achieved for such a homogenized inverse Bessel-Gaussian beam, a corresponding reduction in the size of the beam cross-section is necessary in order to increase the intensity components corresponding to the downstream sections of the beam are assigned quasi-non-diffracting laser beam.
In den Abbildungen (d) und (e) der Fig. 8 werden beispielhaft zentrale Ausschnitte von dif- fraktiven optischen Elementen / aufgeprägten Phasenprofilen zur Ausbildung inverser Besselartiger Strahlen gezeigt. Schematisch sind jeweils aneinander angrenzende Flächenelemente 15a angedeutet, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen. Jedem der Flächenelemente 15a ist ein Phasenschiebungswert zugeordnet, der durchtretender Laserstrahlung aufgeprägt wird. Die Phasenschiebungswerte in der Gitterstruktur bilden gemeinsam eine Phasenmaske, durch die der Rohlaserstrahl tritt, um eine entsprechende Phasenaufprägung zu erfahren. Figures (d) and (e) in FIG. 8 show examples of central sections of diffractive optical elements/applied phase profiles for the formation of inverse Bessel-like beams. Schematically, planar elements 15a adjoining each other are indicated, which build up a planar lattice structure. Each of the surface elements 15a is assigned a phase shift value which is applied to the laser radiation passing through. The phase shift values in the grating structure together form a phase mask through which the raw laser beam passes in order to experience a corresponding phase impression.
Die Abbildung (d) gehört zu einer Phasenmaske zur Implementierung eines idealen (inversen) Axicons (die Periode im Durchlauf der Phasenschiebungswerte ändert sich nicht). Eine Phasenaufprägung mit einem derartigen diffraktiven optischen Element kann zur Ausbildung einer Intensitätsverteilung gemäß der Fig. 1 Abbildung (f) genutzt werden. Figure (d) belongs to a phase mask for implementing an ideal (inverse) axicon (the period in the sweep of the phase shift values does not change). A phase impression with such a diffractive optical element can be used to form an intensity distribution according to FIG. 1 image (f).
Die Abbildung (e) gehört zu einer Phasenmaske zur Implementierung eines (inversen) modifizierten Axicons (die Perioden im Durchlauf der Phasenschiebungswerte sind radiusabhängig). Die Phasenverteilung ist gerade so ausgelegt, dass bei einem bestimmten Strahldurchmesser eine longitudinale Homogenisierung im teiltransparenten Werkstück unter Berücksichtigung des zugehörigen Absorptionskoeffizienten zu erwarten ist. Wird ein größerer
Strahldurchmesser gewählt, kann man in einem transparenten Material in guter Näherung ein Intensitätsprofil eines inversen homogenisierten Bessel-Strahls erzeugen, das dem in Fig. 4 gezeigten nahekommt. Figure (e) belongs to a phase mask for implementing an (inverse) modified axicon (the periods in the sweep of the phase shift values are radius dependent). The phase distribution is designed in such a way that, with a specific beam diameter, longitudinal homogenization in the partially transparent workpiece can be expected, taking into account the associated absorption coefficient. Will be a bigger one If the beam diameter is chosen, an intensity profile of an inverse homogenized Bessel beam can be generated in a transparent material in a good approximation, which comes close to that shown in FIG.
Es wird angemerkt, dass hinsichtlich der Abbildungen (d) und (e) der Fig. 8 komplex-konjugierte Phasenverteilungen (invertiertes Vorzeichen der Phasenschiebungswerte) die Implementierungen von entsprechenden realen Axicon-Optiken erlauben. It is noted that with respect to Figures (d) and (e) of Figure 8, complex conjugate phase distributions (inverted sign of the phase shift values) allow implementations of corresponding real axicon optics.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements, das zur Verwendung bei der Materialbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks in einem optischen System für die Formung eines quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (mit einer aus der Phasenaufprägung resultierenden Intensitätsverteilung) aus einem Rohlaserstrahl vorgesehen ist. Ziel ist es, eine Phasenaufprägung für eine vorgegebene transversale Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls, insbesondere einen vorgegebenen Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls, und eine vorgegebene lineare Absorption des teiltransparenten Materials des Werkstücks einzustellen. Mit dem Verfahren kann insbesondere der Phasenverlauf einer Phasenmaske, die mit einem diffraktiven optischen Element erzeugt wird, bestimmt werden. Fig. 9 shows a flowchart to explain a method for forming a beam shaping element, which is intended for use in material processing of a partially transparent workpiece in an optical system for shaping a quasi-non-diffracting laser beam (with an intensity distribution resulting from the phase imprint) from a raw laser beam . The aim is to set a phase imprint for a specified transversal intensity distribution of the raw laser beam, in particular a specified beam diameter of the raw laser beam, and a specified linear absorption of the partially transparent material of the workpiece. In particular, the phase curve of a phase mask, which is produced with a diffractive optical element, can be determined with the method.
Gegeben ist das Absorptionsverhalten des zu bearbeitenden Materials. Beispielsweise durch eine Messung der Intensität Pd in Fig. 3D kann ein linearer Absorptionsparameter (die „optical depth T“) des teiltransparenten Materials im Frequenzbereich des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls bereitgestellt werden (Schritt 201). Darauf basierend berechnet man (oder legt fest) die Ziel-Intensitätsverteilung auf der optischen Achse im Werkstück, die benötigt wird, um das Material z.B. über die gesamten Dicke d oder auf einer gewünschten Länge zu modifizieren (Schritt 203). Ein Festlegen einer Ziel-Intensitätsverteilung im Werkstück entlang einer optischen Achse des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls kann derart erfolgen, dass bei der Ziel-Intensitätsverteilung zumindest abschnittsweise eine Intensität über einer Intensitätsschwelle vorliegt, die für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, zur Modifizierung des Materials des Werkstücks an einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse notwendig ist.
Für die Bestimmung der Phasenverteilung ist ferner ein transversales Strahlprofil des Rohlaserstrahls (Intensitätsprofil) vorzugeben, auf das die Phasenverteilung aufzuprägen ist (Schritt 205). The absorption behavior of the material to be processed is given. For example, by measuring the intensity Pd in FIG. 3D, a linear absorption parameter (the “optical depth T”) of the partially transparent material in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam can be provided (step 201). Based on this, one calculates (or sets) the target intensity distribution on the optical axis in the workpiece, which is required to modify the material eg over the entire thickness d or over a desired length (step 203). A target intensity distribution in the workpiece along an optical axis of the quasi-non-diffractive laser beam can be defined in such a way that the target intensity distribution has an intensity above an intensity threshold, at least in sections, which is dependent on a nonlinear absorption that is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case , is necessary for modifying the material of the workpiece at a plurality of positions along the optical axis. For the determination of the phase distribution, a transversal beam profile of the raw laser beam (intensity profile) is also to be specified, onto which the phase distribution is to be impressed (step 205).
Für die Ziel- Intensitätsverteilung wird dann ein Optikdesign eines Axicon-ähnlichen Elements (z.B. modifiziertes refraktives oder reflektives Axicon oder diffraktives optisches Element) berechnet (Schritt 207): An optics design of an axicon-like element (e.g. modified refractive or reflective axicon or diffractive optic element) is then calculated for the target intensity distribution (step 207):
—Ausgehend von einer Phasenaufprägung mit einem Axicon (Anstiegswinkel/Phasenanstieg ist konstant), erfolgt eine Unterteilung in radiale Elemente, in denen der Anstiegswinkel geändert werden kann. Ein Phasenanstieg entspricht einem Einlaufwinkel, unter dem Laserstrahlung zur optischen Achse geführt wird. (Unterteilen des transversalen Strahlprofils in, insbesondere ringförmig ausgebildete, Strahlquerschnittsbereiche (entsprechend Zonen des DOE oder radialen Bereiche des Axicons) - Schritt 207A - sowie Zuordnen von, insbesondere identischen linearen, Phasenanstiegen in radialer Richtung über die Strahlquerschnittsbereiche als Anfangsphasenverteilung - Schritt 207B) —Starting from a phase imprint with an axicon (rise angle/phase rise is constant), it is divided into radial elements where the rise angle can be changed. A phase increase corresponds to an angle of arrival at which laser radiation is guided to the optical axis. (Subdivision of the transversal beam profile into, in particular annular, beam cross-section areas (corresponding to zones of the DOE or radial areas of the axicon) - step 207A - and assignment of, in particular identical linear, phase increases in the radial direction over the beam cross-section areas as initial phase distribution - step 207B)
—Eine Änderung der Anstiegswinkel in den radialen Elementen führt zu einem neuen Höhenprofil des nun modifizierten Axicons mit einer entsprechend modifizierten Phasenaufprägung. In Verbindung mit den bekannten Leistungsanteilen des Rohstrahls führt das zu einer Umverteilung des Leistungseintrags in die Fokuszone, die berechnet werden kann. —Changing the rise angles in the radial elements leads to a new height profile of the now modified axicon with a correspondingly modified phase imprint. In conjunction with the known power components of the raw beam, this leads to a redistribution of the power input into the focal zone, which can be calculated.
—Eine, z.B. iterative, Anpassung der Anstiegswinkel kann bis zur Vorlage der gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung durchgeführt werden. (Iteratives Anpassen der Phasenanstiege in den Strahlquerschnittsbereichen und Berechnen der sich im Werkstück nach Durchstrahlen des optischen Systems mit dem Rohlaserstrahl ergebenden Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse unter Berücksichtigung des linearen Absorptionsparameters solange, bis eine die lineare Absorption kompensierende Phasenverteilung vorliegt, mit der sich die Ziel-Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse im Werkstück ergibt - Schritt 207C) —An, e.g. iterative, adjustment of the slope angles can be carried out until the desired target intensity distribution is presented. (Iterative adjustment of the phase increases in the beam cross-section areas and calculation of the intensity distribution along the optical axis that results in the workpiece after the raw laser beam has passed through the optical system, taking into account the linear absorption parameter, until there is a phase distribution that compensates for the linear absorption and with which the target Intensity distribution along the optical axis in the workpiece results - step 207C)
Die iterativ angepassten Phasenanstiege der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung in Verbindung mit in den Strahlquerschnittsbereichen vorliegenden Intensitätsanteilen des Rohlaserstrahls können für eine Umverteilung der zum quasi -nichtbeugenden Laserstrahl beitragenden Laserstrahlung entlang der optischen Achse zur Ausbildung der Ziel-Intensitätsverteilung bewirken.
Für die Ausbildung des Strahlformungselements wird das Strahlformungselements mit der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung versehen (Schritt 209). Dazu kann aus der kompensierenden Phasenverteilung ein spezielles Höhenprofil für ein optisches Mate- rial/Spiegel abgeleitet werden, um ein refraktives oder reflektives optischen Axicon-El em ent mit dem Höhenprofil aus dem optischen Material als Dickenprofil eines optischen Materials bzw. Spiegelprofil zu formen. Ferner kann eine diffraktive Umsetzung der kompensierenden Phasenverteilung mit einem diffraktiven optischen Element erfolgen (z.B. ein Fresnel-Axicon- ähnliches diffraktives optisches Element, dessen Phasenschiebungswerte fest eingestellt sind, oder ein räumlicher Lichtmodulator, dessen Phasenschiebungswerte entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung eingestellt wurden). The iteratively adapted phase increases of the phase distribution compensating for the linear absorption in conjunction with intensity components of the raw laser beam present in the beam cross-sectional areas can cause a redistribution of the laser radiation contributing to the quasi-non-diffracting laser beam along the optical axis to form the target intensity distribution. For the formation of the beam-shaping element, the beam-shaping element is provided with the phase distribution compensating for the linear absorption (step 209). For this purpose, a special height profile for an optical material/mirror can be derived from the compensating phase distribution in order to form a refractive or reflective optical axicon element with the height profile from the optical material as a thickness profile of an optical material or mirror profile. Furthermore, a diffractive conversion of the compensating phase distribution can be done with a diffractive optical element (e.g. a Fresnel-Axicon-like diffractive optical element whose phase shift values are fixed, or a spatial light modulator whose phase shift values have been adjusted according to the linear absorption compensating phase distribution).
Die kompensierende Phasenverteilung mit der Mehrzahl von beitragenden Konuswinkeln führt dazu, dass der Laserstrahl als eine Mehrzahl von Teilstrahlen betrachtet werden kann, wobei jeder der Teilstrahlen einen unterschiedlichen Einlaufwinkel aufweisen kann, mit dem er in das Werkstück eintritt und auf die optische Achse zuläuft. Die verfahrensgemäß bestimmten Einlaufwinkel hängen von der Lage und den Intensitäten in den jeweiligen Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls ab. The compensating phase distribution with the plurality of contributing cone angles means that the laser beam can be viewed as a plurality of sub-beams, wherein each of the sub-beams can have a different angle of arrival at which it enters the workpiece and approaches the optical axis. The angles of incidence determined according to the method depend on the position and the intensities in the respective cross-sectional areas of the raw laser beam.
Aufgrund der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung wird Laserstrahlung zu mindestens einer Position einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse unter mehreren Winkeln geführt. Beispielsweise umfassen die Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls mindestens zwei ringförmig ausgebildete Strahlquerschnittsbereiche. Die Phasenanstiege für die zwei ringförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereiche können derart eingestellt werden, dass Laserstrahlung von den zwei ringförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereichen einer gemeinsamen Position der Mehrzahl von Positionen unter zwei unterschiedlichen Konuswinkeln zugeführt wird. Due to the phase distribution compensating for the linear absorption, laser radiation is guided to at least one of a plurality of positions along the optical axis at a plurality of angles. For example, the beam cross-section areas of the raw laser beam include at least two annular beam cross-section areas. The phase slopes for the two annular shaped beam cross-sectional areas can be adjusted such that laser radiation from the two annular shaped beam cross-sectional areas is delivered to a common position of the plurality of positions at two different cone angles.
Die hierin zur Beschreibung der Konzepte eingeführten Begriffe „Strahlquerschnittsbereich“ und zugehöriger „Abschnitt des quasi -nichtbeugenden Strahls“ sowie deren Kenntlichmachung in den Figuren erzwingen keine feste Zuordnung eines Flächenbereichs zu einem Abschnitt. Vielmehr kann ein Strahlquerschnittsbereich eines diffraktiven optischen Strahlformungselements auch mehrere Abschnitte des quasi -nichtbeugenden Strahls mit Laserstrahlung versorgen, wenn zum Beispiel Beugungsstrukturen übereinandergelegt werden. Der Fachmann wird ferner verstehen, dass hier keine Einschränkung auf diskrete Abschnitte
vorgenommen werden muss, sondern dass auch kontinuierliche Abschnitte als Grenzfall mit eingeschlossen sind, siehe das in Fig. 7 gezeigte Beispiel des modifizierten Axicons mit einer homogeni si erten Intensitätsverteilung. The terms "beam cross-sectional area" and associated "section of the quasi-non-diffracting beam" introduced herein to describe the concepts and their identification in the figures do not force a fixed assignment of a surface area to a section. Rather, a beam cross-sectional area of a diffractive optical beam-shaping element can also supply several sections of the quasi-non-diffracting beam with laser radiation if, for example, diffraction structures are superimposed. Those skilled in the art will further understand that there is no limitation to discrete sections must be made, but that continuous sections are also included as a borderline case, see the example shown in FIG. 7 of the modified axicon with a homogenized intensity distribution.
Mit Blick auf die Materialbearbeitung eines teiltransparenten Materials unter Einbezug der nichtlinearen Absorption des Materials kann ein quasi-nichtbeugender Laserstrahl eine Modifikation im Material bewirken, die sich über die gesamte Länger des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls erstreckt. Der Fachmann wird anerkennen, dass basieren auf den hierin offenbarten Konzepten auch eine lineare Aufreihung/ Anordnung oder zum Beispiel flächige Anordnung von Modifikationszonen mit dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl erzeugt werden kann. Hierzu kann eine Strahlformung verwendet werden, die zum Beispiel in Propagationsrichtung eine Aufreihung von lokalen Intensitätsmaxima erzeugt (siehe Fig. 4). Die Intensitätsmaxima können von einem Einhüllenden-Profil begrenzt werden. Das Einhüllenden-Profil kann ebenfalls geformt werden und beispielsweise in seinem Verlauf den in Fig. 7 gezeugten Intensitätsverläufen entsprechen. With regard to the material processing of a partially transparent material, including the non-linear absorption of the material, a quasi-non-diffracting laser beam can bring about a modification in the material that extends over the entire length of the quasi-non-diffracting laser beam. Those skilled in the art will appreciate that based on the concepts disclosed herein, a linear array/array or, for example, planar array of modification zones can also be created with the quasi-non-diffractive laser beam. For this purpose, beam shaping can be used which, for example, generates a row of local intensity maxima in the direction of propagation (see FIG. 4). The intensity maxima can be limited by an envelope profile. The envelope profile can also be shaped and, for example, correspond in its course to the intensity courses shown in FIG.
Als Ergebnis der laserbasierten Materialbearbeitung kann ein teiltransparentes Werkstück vorliegen, in das eine Mehrzahl von beabstandeten oder ineinander übergehenden Modifikationen eingebracht wurde. Die Modifikationen können zusätzlich Risse im Material ausbilden, die sich zwischen benachbarten Modifikationen oder allgemein zufällig ausgehend von einer der Modifikationen in das Material des Werkstücks hinein erstrecken. As a result of the laser-based material processing, a partially transparent workpiece can be present, into which a plurality of spaced or merging modifications have been introduced. The modifications may additionally form cracks in the material extending between adjacent modifications or generally randomly from one of the modifications into the material of the workpiece.
Zur Vollständigkeit wird darauf hingewiesen, dass neben einer Intensitätsverteilung in einer Fokuszone, die eine einzige symmetrische Modifikation hervorruft, eine Phasenaufprägung z.B. mit einem diffraktiven optischen Element vorgenommen werden kann, die zu einer Intensitätsverteilung in der Fokuszone führt, die eine asymmetrische (z.B. in einer Richtung abgeflachte) Modifikation oder mehrere parallel zueinander verlaufende Modifikationen hervorruft (siehe Abbildung (c) der Fig. 1). Allgemein kann die Modifikation oder die Anordnung von Modifikationen mit einem Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt werden. Beispielhafte Phasenaufprägungen und Intensitätsverteilungen sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0, “Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage”, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 offenbart.
Derartige asymmetrische Modifikationen oder Aufreihungen von Modifikationen können ebenfalls mit den hierin offenbarten Konzepten für die Bearbeitung von teiltransparenten Materialien kombiniert werden. Mit anderen Worten kann auch eine Strahlformung, die für derar- tige asymmetrische Modifikationen vorzunehmen ist, mit einer Phasenaufprägung kombiniert werden, die die Beeinflussung der Intensität entlang des quasi -nichtbeugenden Strahls bei der Propagation durch das Material ausgleichen kann. For the sake of completeness, it is pointed out that, in addition to an intensity distribution in a focal zone that causes a single symmetrical modification, a phase imprint can be carried out, e.g. with a diffractive optical element, which leads to an intensity distribution in the focal zone that has an asymmetric (e.g. in one direction flattened) modification or several modifications running parallel to each other (see image (c) of Fig. 1). In general, the modification or the arrangement of modifications can be generated with a laser pulse or a group of laser pulses. Exemplary phase impressions and intensity distributions are, for example, in the German patent application 10 2019 128 362.0, "Segmented beam shaping element and laser processing system", with the application date October 21, 2019 by the applicant and in Chen et al., "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams", arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 revealed. Such asymmetric modifications or arrays of modifications can also be combined with the concepts disclosed herein for processing partially transparent materials. In other words, beam shaping, which must be carried out for such asymmetric modifications, can be combined with phase imprinting, which can compensate for the influence on the intensity along the quasi-non-diffracting beam during propagation through the material.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung 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 beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and/or the claims are to be regarded as separate and independent from each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the combinations of features in the embodiments and/or the claims must. It is explicitly stated that all indications of ranges or groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.
Claims
1. Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks (3) mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl (5), wobei das Werkstück (3) ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl (5) teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls (5) eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, mit den Schritten: 1. A method for material processing of a workpiece (3) with a quasi-non-diffracting laser beam (5), the workpiece (3) having a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam (5) and which is suitable for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam (5) has a linear absorption that is independent of a laser radiation intensity, with the steps:
Einstrahlen (Schritt 103) eines gepulsten Rohlaserstrahls (5‘) in ein optisches Strahlformungssystem (13) zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) mit einer sich in einer Längsrichtung (z) erstreckenden Fokuszone (7) für die Materialbearbeitung des Werkstücks (3), wobei mit dem optischen Strahlformungssystem (13) eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls (5‘) zur Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung (5_PH) vorgenommen wird, und Radiating (step 103) a pulsed raw laser beam (5') into an optical beam shaping system (13) to form a quasi-non-diffracting laser beam (5) with a focal zone (7) extending in a longitudinal direction (z) for the material processing of the workpiece (3 ), wherein the optical beam shaping system (13) is used to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam (5') to form phase-imposed laser radiation (5_PH), and
Fokussieren (Schritt 107) der phasenaufgeprägten Laserstrahlung (5_PH) in das teiltransparente Material des Werkstücks (3), sodass der quasi-nichtbeugende Laserstrahl (5) ausgebildet wird und die Fokuszone (7) eine entlang der Längsrichtung (z) einstellbare Intensitätsverteilung aufweist, wobei die Phasenaufprägung derart eingestellt ist, dass beim Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks (3) eine resultierende Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) in der Fokuszone (7) in der Längsrichtung (z) zumindest näherungsweise konstant ist. Focusing (step 107) the phase-impressed laser radiation (5_PH) in the partially transparent material of the workpiece (3), so that the quasi-non-diffracting laser beam (5) is formed and the focus zone (7) along the longitudinal direction (z) adjustable intensity distribution, wherein the phase imprint is adjusted in such a way that when the phase imprinted laser radiation is focused into the partially transparent material of the workpiece (3), a resulting intensity distribution (BG_2h(+)) of the quasi-non-diffracting laser beam (5) in the focal zone (7) in the longitudinal direction (z) is at least approximately constant.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phasenaufprägung auf den Strahl querschnitt des Rohlaserstrahls (5‘) derart eingestellt ist, dass Laserstrahlung (5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T) zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse (9) angeordneten Positionen im Werkstück (3) in einem Einlaufwinkelbereich, der insbesondere Einlaufwinkel (5‘_1, 5‘_2) im Bereich von 5° bis 25° im teiltransparenten Material des Werkstücks (3) umfasst, bezüglich der optischen Achse (9) geführt wird und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl (5) mit der resultierenden Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) an der Mehrzahl von Positionen ausbildet, wobei Intensitätsverluste aufgrund der linearen Absorption bei einer Ausbreitung der Laserstrahlung (5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T) im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten, und die Phasenaufprägung derart eingestellt ist, dass an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich
geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption überschritten wird, wobei die nichtlineare Absorption im teiltransparenten Material von einer jeweils vorliegenden Intensität der Laserstrahlung abhängig ist. 2. The method according to claim 1, wherein the phase imprint on the beam cross section of the raw laser beam (5 ') is set such that laser radiation (5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T) to a plurality of along an optical axis (9) arranged positions in the workpiece (3) in a run-in angle range, which in particular includes run-in angles (5'_1, 5'_2) in the range from 5° to 25° in the partially transparent material of the workpiece (3), is guided with respect to the optical axis (9) and the quasi- forms a non-diffracting laser beam (5) with the resulting intensity distribution (BG_2h(+)) at the plurality of positions, with intensity losses due to the linear absorption during propagation of the laser radiation (5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T) in the partially transparent material to the plurality of positions occur, and the phase imprint is set such that at least one position of the plurality of positions laser radiation at multiple angles from the angle of arrival range is performed, so that in the partially transparent material an intensity threshold for non-linear absorption is exceeded at the majority of positions despite the intensity losses occurring, the non-linear absorption in the partially transparent material being dependent on a respective intensity of the laser radiation.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Laserstrahlung, die unter einem ersten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, einen Phasenunterschied von weniger als Pi/4 bezüglich Laserstrahlung, die unter einem zweiten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, aufweist, und/oder wobei die Phasenaufprägung derart eingestellt ist, dass die Laserstrahlung (5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T) rotationssymmetrisch an die Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass jeder der mehreren Winkel einen lokalen Konuswinkel darstellt. 3. The method of claim 2, wherein laser radiation directed at a first angle to the at least one position of the plurality of positions has a phase difference of less than Pi/4 with respect to laser radiation directed at a second angle to the at least one position of the plurality is guided by positions, and/or wherein the phase imprint is adjusted in such a way that the laser radiation (5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T) is guided rotationally symmetrically to the plurality of positions, so that each of the plurality of angles represents a local cone angle.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einstellen der Phasenaufprägung ein Einstellen (Schritt 103A) von Phasenanstiegen in radialer Richtung, die auf Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C) des Rohlaserstrahls (5‘) aufgeprägt werden, und/oder ein Einstellen (Schritt 103B) von geometrischen Parametern von Strahlquerschnittsbereichen, in denen ein oder mehrere Phasenanstiege aufgeprägt werden, umfasst. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein adjusting the phase imprint includes adjusting (step 103A) phase increases in the radial direction that are impressed on beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) of the raw laser beam (5'), and/or adjusting (Step 103B) of geometric parameters of beam cross-sectional areas in which one or more phase slopes are imposed.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C) mindestens zwei ringförmig oder ringabschnittförmig ausgebildete Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C) umfassen und die Phasenanstiege für die zwei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C) derart eingestellt werden, dass Laserstrahlung von den zwei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereichen (R A, R_B, R_C) einer gemeinsamen Position der Mehrzahl von Positionen unter zwei unterschiedlichen Konuswinkeln zugeführt wird. 5. The method according to claim 4, wherein the beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) comprise at least two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) and the phase increases for the two annular or ring-segment-shaped beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) be set in such a way that laser radiation from the two beam cross-section areas (R A, R_B, R_C) designed in the shape of a ring or a ring segment is fed to a common position of the plurality of positions at two different cone angles.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zum Einstellen der Phasenaufprägung in Strahlquerschnittsbereichen (R A, R_B, R_C) ein Einstellen (Schritt 103C) von den Intensitätsanteilen (I_A, I_B, I C) einer Rohlaserstrahlintensität, die den Strahlquerschnittsbereichen (R A, R_B, R_C) zugeordnet sind, vorgenommen wird, um die resultierende Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) in der Fokuszone (7) zu bewirken.
6. The method according to any one of the preceding claims, wherein in addition to setting the phase imprint in beam cross-section areas (RA, R_B, R_C), setting (step 103C) the intensity components (I_A, I_B, IC) of a raw laser beam intensity that corresponds to the beam cross-section areas (RA, R_B , R_C) are assigned in order to bring about the resulting intensity distribution (BG_2h(+)) of the quasi-non-diffracting laser beam (5) in the focal zone (7).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenaufprägung für eine vorgegebene transversale Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls, insbesondere einen vorgegebenen Strahl durchmesser des Rohlaserstrahls, und eine vorgegebene lineare Absorption des teiltransparenten Materials des Werkstücks eingestellt wird, und wobei für ein Material mit einer linearen Absorption, die von der vorgegebenen linearen Absorption des teiltransparenten Materials abweicht, bei unveränderter Phasenaufprägung die transversale Intensitätsverteilung, insbesondere ein Strahldurchmesser, des Rohlaserstrahls eingestellt wird, um einen Intensitätsanteil einer Rohlaserstrahlintensität, der einer Position der Mehrzahl von Positionen zugeführt wird, zu erhöhen oder zu verkleinern. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the phase imprinting is set for a specified transverse intensity distribution of the raw laser beam, in particular a specified beam diameter of the raw laser beam, and a specified linear absorption of the partially transparent material of the workpiece, and wherein for a material with a linear absorption , which deviates from the predetermined linear absorption of the partially transparent material, the transverse intensity distribution, in particular a beam diameter, of the raw laser beam is adjusted with unchanged phase imprinting in order to increase or decrease an intensity component of a raw laser beam intensity that is fed to one position of the plurality of positions.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenaufprägung derart eingestellt wird, dass eine Intensitätsabnahme des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) aufgrund der linearen Absorption im teiltransparenten Material zumindest abschnittsweise kompensiert wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the phase imprint is set such that a decrease in intensity of the quasi-non-diffracting laser beam (5) due to the linear absorption in the partially transparent material is at least partially compensated.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die resultierende Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) entlang der optischen Achse (9) eine Intensitätsverteilung oder eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung aufweist, die Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) im Bereich von bis zu 10 % umfasst, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf den Teil der Fokuszone (7) bezieht, in dem eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks (3) stattfindet, und wobei optional die Intensitätsverteilung oder die Einhüllenden-Intensitätsverteilung insbesondere im Wesentlichen konstant ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the resulting intensity distribution (BG_2h(+)) of the quasi-non-diffracting laser beam (5) along the optical axis (9) has an intensity distribution or an envelope intensity distribution that deviates from an average intensity of the quasi-non-diffracting laser beam (5) in the range of up to 10%, the average intensity relating to that part of the focal zone (7) in which a non-linear interaction with the material of the workpiece (3) takes place, and optionally the Intensity distribution or the envelope intensity distribution is in particular substantially constant.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei basierend auf der nichtlinearen Absorption an einer Mehrzahl von Positionen in der Fokuszone (7) trotz der eintretenden Intensitätsverluste das teiltransparente Material modifiziert wird, und die Modifikation des teiltransparenten Materials 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein based on the non-linear absorption at a plurality of positions in the focal zone (7) despite the occurring intensity losses, the partially transparent material is modified, and the modification of the partially transparent material
- sich über eine Länger des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) erstreckt oder- extends over a length of the quasi-non-diffracting laser beam (5) or
- aus einer Aufreihung von Modifikationszonen entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) besteht.
- Consists of a line-up of modification zones along the quasi-non-diffracting laser beam (5).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Rohlaserstrahl (5‘) ein Laserstrahl mit einem Gaußschen transversalen Intensitätsprofil eingesetzt wird und das optische Strahlformungssystem (13) dazu eingerichtet ist, einen Bessel-Gauß-Strahl als quasi - nichtbeugenden Laserstrahl (5) zu formen, und/oder wobei sich ein transversales Ausmaß des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) in der Fokuszone (7) entlang der optischen Achse (9) ändert und/oder wobei ein transversales Ausmaß des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) an einer Position der Fokuszone (7) von Einfallswinkeln (5‘_1, 5‘_2) abhängt, mit der Laserstrahlung zur Ausbildung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) an der Position der Fokuszone (7) auf die optische Achse (9) einfällt. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein a laser beam with a Gaussian transversal intensity profile is used as the raw laser beam (5') and the optical beam shaping system (13) is set up to generate a Bessel-Gaussian beam as a quasi-non-diffracting laser beam (5). to shape, and/or wherein a transverse dimension of the quasi-non-diffractive laser beam (5) in the focal zone (7) changes along the optical axis (9) and/or wherein a transverse dimension of the quasi-non-diffractive laser beam (5) at a The position of the focal zone (7) depends on angles of incidence (5'_1, 5'_2) with which the laser radiation to form the quasi non-diffracting laser beam (5) is incident on the optical axis (9) at the position of the focal zone (7).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit mindestens einem der folgenden Schritte: 12. The method according to any one of the preceding claims, further comprising at least one of the following steps:
Einstellen (Schritt 105) von Strahlparametern des Rohlaserstrahls (5‘) derart, dass das teiltransparente Material des Werkstücks (3) modifiziert wird, Setting (step 105) beam parameters of the raw laser beam (5') in such a way that the partially transparent material of the workpiece (3) is modified,
Positionieren zumindest eines Abschnitts des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) im Werkstück (3) oder Positioning at least a portion of the quasi - non-diffractive laser beam (5) in the workpiece (3) or
Bewirken (Schritt 109) einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (3) und dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl (5), bei der der quasi -nichtbeugende Laserstrahl (5) entlang einer Abtasttrajektorie (T) im Werkstück (3) bewegt wird, sodass eine Aufreihung von Modifikationen in das Werkstück (3) entlang der Abtasttrajektorie (T) eingeschrieben wird. Effecting (step 109) a relative movement between the workpiece (3) and the quasi-non-diffracting laser beam (5), in which the quasi-non-diffracting laser beam (5) is moved along a scanning trajectory (T) in the workpiece (3), so that a line-up of modifications is written into the workpiece (3) along the scanning trajectory (T).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Strahlformungssystem (13) ein diffraktives optisches Strahlformungselement umfasst und das diffrak- tive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (15a) aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen und denen jeweils ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, wobei die Phasenschiebungswerte eine zweidimensionale Phasenverteilung entsprechend der eingestellten Phasenaufprägung definieren, und beim Einstrahlen (Schritt 103) des Rohlaserstrahls (5‘) in das optische Strahlformungssystem (13) die Phasenaufprägung mit dem diffraktiven optischen Strahlformungselement bewirkt wird, indem die Phasenverteilung auf den Rohlaserstrahl (5‘) aufgeprägt wird, und wobei optional das optische Strahlformungssystem (13) ein Strahlformungselement umfasst, das nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23 erstellt wurde.
13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the optical beam-shaping system (13) comprises a diffractive optical beam-shaping element and the diffractive optical beam-shaping element has surface elements (15a) adjoining one another, which build up a surface grating structure and to which a phase shift value is assigned in each case, wherein the phase shift values define a two-dimensional phase distribution corresponding to the set phase impression, and when the raw laser beam (5') is radiated into the optical beam-shaping system (13) (step 103), the phase impression is effected with the diffractive optical beam-shaping element by the phase distribution being applied to the raw laser beam (5' ) is impressed, and optionally wherein the optical beam-shaping system (13) comprises a beam-shaping element that was created by a method according to any one of claims 19 to 23.
14. Laserbearbeitungsanlage (1) für eine Materialbearbeitung eines Werkstücks (3) mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl (5), wobei das Werkstück (3) ein für den quasi-nicht- beugenden Laserstrahl (5) teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) eine lineare Absorption aufweist, die von einer Intensität der Laserstrahlung unabhängig ist, mit: einer Laserstrahlquelle (11), die einen gepulsten Laserstrahl (5“) ausgibt, einem optischen Strahlformungssystem (13) zur Strahlformung des Laserstrahls (5“) für die Ausbildung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) mit einer sich in einer Längsrichtung (z) erstreckenden Fokuszone (7) mit 14. Laser processing system (1) for material processing of a workpiece (3) with a quasi-non-diffracting laser beam (5), the workpiece (3) having a material which is partially transparent for the quasi-non-diffracting laser beam (5) and which is suitable for laser radiation in the Frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam (5) has a linear absorption that is independent of an intensity of the laser radiation, with: a laser beam source (11) that emits a pulsed laser beam (5"), an optical beam shaping system (13) for beam shaping of the Laser beam (5") for forming the quasi-non-diffracting laser beam (5) with a focal zone (7) extending in a longitudinal direction (z).
- einer Strahlanpassungsoptik (17A), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (5“) als Rohlaserstrahl (5‘) mit einem Strahl durchmesser auszugeben, und - beam adjustment optics (17A) which are set up to output the laser beam (5") as a raw laser beam (5') with a beam diameter, and
- einem Strahlformungselement (15), das dazu eingerichtet ist, eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls (5‘) zur Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung (5_PH) für einen vorgegebenen Strahldurchmesser (D) des Rohlaserstrahls (5‘) derart vorzunehmen, dass beim Fokussieren der phasenaufgeprägter Laserstrahlung (5_PH) in das teiltransparente Material des Werkstücks (3) der quasi-nichtbeugende Laserstrahl (5) mit einer resultierenden Intensitätsverteilung (BG_2h(+))erzeugt wird, die in der Fokuszone (7) in der Längsrichtung (z) zumindest näherungsweise konstant ist, und einer Werkstückhalterung (19) zur Lagerung des Werkstücks (3), wobei das optische Strahlformungssystem (13) und/oder die Werkstückhalterung (19) dazu eingerichtet sind, eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (3) und dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl (5) zu bewirken, bei der der quasi-nichtbeugende Laserstrahl (5) entlang einer Abtasttrajektorie (T) im Material des Werkstücks (3) positioniert wird. - a beam-shaping element (15), which is set up to impress a phase on a beam cross section of the raw laser beam (5') to form phase-impressed laser radiation (5_PH) for a predetermined beam diameter (D) of the raw laser beam (5') in such a way that when focusing of the phase-impressed laser radiation (5_PH) in the partially transparent material of the workpiece (3), the quasi-non-diffracting laser beam (5) is generated with a resulting intensity distribution (BG_2h(+)), which in the focal zone (7) in the longitudinal direction (z) at least is approximately constant, and a workpiece holder (19) for supporting the workpiece (3), the optical beam shaping system (13) and/or the workpiece holder (19) being set up to allow a relative movement between the workpiece (3) and the quasi-non-diffractive To effect laser beam (5), in which the quasi-non-diffracting laser beam (5) along a scanning trajectory (T) in the material of the workpiece (3) is positioned.
15. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 14, wobei die Phasenaufprägung auf einen Strahl quer schnitt des Rohlaserstrahls (5‘) derart mit dem Strahlformungselement (15) eingestellt ist, dass Laserstrahlung des Rohlaserstrahls (5‘) zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse (9) angeordneten Positionen im Werkstück (3) in einem Einlaufwinkelbereich bezüglich der optischen Achse (9) geführt wird und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl (5) an der Mehrzahl von Positionen ausbildet, und wobei Intensitätsverluste aufgrund der linearen Absorption bei der Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten, und die Phasenaufprägung ferner derart eingestellt ist, dass Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt
wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, überschritten wird. 15. Laser processing system (1) according to claim 14, wherein the phase imprinting on a beam cross-section of the raw laser beam (5') is set with the beam-shaping element (15) in such a way that laser radiation of the raw laser beam (5') is directed to a plurality of along an optical axis (9) arranged positions in the workpiece (3) is guided in an angle of arrival range with respect to the optical axis (9) and forms the quasi-non-diffracting laser beam (5) at the plurality of positions, and wherein intensity losses due to linear absorption during the propagation of the laser radiation occur in the partially transparent material to the plurality of positions, and the phase imprint is further set such that laser radiation is guided at a plurality of angles from the angle of incidence range to at least one position of the plurality of positions is, so that in the partially transparent material at the majority of positions, despite the occurring intensity losses, an intensity threshold for non-linear absorption, which is dependent on a laser radiation intensity present in each case, is exceeded.
16. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 14 oder 15, ferner mit einer Steuerung (21), die dazu eingerichtet ist, die Strahlanpassungsoptik (17A) derart einzustellen, dass der Strahl durchmesser am Strahlformungselement (15) größer oder kleiner ist als der vorgegebene Strahldurchmesser (D) um Variationen in der linearen Absorption bezüglich der linearen Absorption für die die Phasenaufprägung bestimmt wurde, auszugleichen. 16. Laser processing system (1) according to claim 14 or 15, further having a controller (21) which is set up to adjust the beam adjustment optics (17A) such that the beam diameter at the beam shaping element (15) is larger or smaller than the specified beam diameter (D) to compensate for variations in the linear absorbance relative to the linear absorbance for which the phase imprint was determined.
17. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Strahlformungselement (15) als ein diffraktives optisches Element, ein räumlicher Lichtmodulator oder ein modifiziertes refraktives oder reflektives Axicon ( 15C) ausgebildet ist und wobei optional das Strahlformungselement (15) insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23 erstellt wurde. 17. Laser processing system (1) according to one of claims 14 to 16, wherein the beam-shaping element (15) is designed as a diffractive optical element, a spatial light modulator or a modified refractive or reflective axicon (15C) and optionally wherein the beam-shaping element (15) in particular was created according to a method according to any one of claims 19 to 23.
18. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Phasenaufprägung dazu ausgebildet ist, dass die resultierende Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) eine Intensitätsverteilung oder eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung aufweist, die Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) im Bereich von bis zu 10 % umfasst, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf einen Teil der Fokuszone bezieht, in dem eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks (3) stattfindet, und wobei die Intensitätsverteilung oder die Einhüllenden-Intensitätsverteilung insbesondere im Wesentlichen konstant ist. 18. Laser processing system (1) according to any one of claims 14 to 17, wherein the phase imprint is designed such that the resulting intensity distribution (BG_2h(+)) has an intensity distribution or an envelope intensity distribution that deviates from an average intensity of the quasi -non-diffractive Laser beam (5) in the range of up to 10%, the average intensity relating to a part of the focal zone in which a non-linear interaction with the material of the workpiece (3) takes place, and the intensity distribution or the envelope intensity distribution in particular is essentially constant.
19. Verfahren zum Ausbilden eines, insbesondere diffraktiven optischen, Strahlformungselements (15), das zur Verwendung bei der Materialbearbeitung eines Werkstücks (3) in einem optischen Strahlformungssystem (13) für die Strahlformung eines quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) aus einem Rohlaserstrahl (5‘) vorgesehen ist, wobei das Werkstück (3) ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl (5) teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5) eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, mit den Schritten:
Bereitstellen (Schritt 201) eines linearen Absorptionsparameters des teiltransparenten Materials im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5), insbesondere durch Messung eines linearen Absorptionsparameters; 19. A method for forming an optical beam-shaping element (15), in particular a diffractive one, which is intended for use in material processing of a workpiece (3) in an optical beam-shaping system (13) for beam-shaping a quasi-non-diffracting laser beam (5) from a raw laser beam (5 ') is provided, wherein the workpiece (3) has a material that is partially transparent to the quasi-non-diffracting laser beam (5) and has linear absorption for laser radiation in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam (5), which is independent of a laser radiation intensity, with the steps: Providing (step 201) a linear absorption parameter of the partially transparent material in the frequency range of the quasi-non-diffracting laser beam (5), in particular by measuring a linear absorption parameter;
Festlegen (Schritt 203) einer Ziel-Intensitätsverteilung als zu erreichende resultierende Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) im Werkstück (3) entlang einer optischen Achse (9) des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls (5), bei der zum Modifizieren des Materials des Werkstücks (3) an einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse (9) zumindest abschnittsweise eine Intensität der Ziel-Intensitätsverteilung über einer Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption liegt, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist; Defining (step 203) a target intensity distribution as the resulting intensity distribution (BG_2h(+)) to be achieved in the workpiece (3) along an optical axis (9) of the quasi-non-diffracting laser beam (5), in which to modify the material of the workpiece ( 3) at a plurality of positions along the optical axis (9), at least in sections, an intensity of the target intensity distribution is above an intensity threshold for non-linear absorption, which is dependent on a laser radiation intensity that is present in each case;
Vorgeben (Schritt 205) eines transversalen Strahlprofils, insbesondere eines Strahldurchmessers (D), des Rohlaserstrahls (5‘), auf das eine zweidimensionale Phasenverteilung aufzuprägen ist; specifying (step 205) a transversal beam profile, in particular a beam diameter (D), of the raw laser beam (5') onto which a two-dimensional phase distribution is to be impressed;
Berechnen (Schritt 207) der zweidimensionalen Phasenverteilung für das transversale Strahlprofil durch: Compute (step 207) the two-dimensional phase distribution for the transverse beam profile by:
- Unterteilen (Schritt 207A) des transversalen Strahlprofils in, insbesondere ringförmig ausgebildete, Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C), - subdividing (step 207A) the transversal beam profile into beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C), in particular ring-shaped,
- Zuordnen (Schritt 207B) von, insbesondere identischen linearen, Phasenanstiegen in radialer Richtung über die Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C) als Anfangsphasenverteilung, und - allocating (step 207B) of, in particular identical linear, phase increases in the radial direction over the beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C) as an initial phase distribution, and
- iteratives Anpassen (Schritt 207C) der Phasenanstiege in den Strahlquerschnittsbereiche (R A, R_B, R_C) und Berechnen der sich im Werkstück (3) nach Durchstrahlen des optischen Strahlformungssystems (15) mit dem Rohlaserstrahl (5‘) ergebenden Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse (9) unter Berücksichtigung von durch den linearen Absorptionsparameter gegebenen linearer Absorption solange, bis eine die lineare Absorption kompensierende zweidimensionale Phasenverteilung vorliegt, mit der sich die Ziel-Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse (9) im Werkstück (3) als resultierende Intensitätsverteilung (BG_2h(+)) ergibt; und - iterative adjustment (step 207C) of the phase increases in the beam cross-section areas (R A, R_B, R_C) and calculation of the intensity distribution along the optical axis ( 9) taking into account the linear absorption given by the linear absorption parameter, until a two-dimensional phase distribution that compensates for the linear absorption is present, with which the target intensity distribution along the optical axis (9) in the workpiece (3) is the resultant intensity distribution (BG_2h(+ )) yields; and
Versehen (Schritt 209) des Strahlformungselements (15) mit der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionale Phasenverteilung. Providing (step 209) the beam-shaping element (15) with the linear absorption-compensating two-dimensional phase distribution.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die iterativ angepassten Phasenanstiege in Verbindung mit in den Strahlquerschnittsbereichen (R A, R_B, R_C) vorliegenden
Intensitätsanteilen (I_A, I_B, I C) des Rohlaserstrahls (5‘) eine Umverteilung der zum quasi- nichtbeugenden Laserstrahl (5) beitragenden Laserstrahlung entlang der optischen Achse (9) zur Ausbildung der Ziel-Intensitätsverteilung bewirken. The method of claim 19, wherein the iteratively adjusted phase slopes are associated with those present in the beam cross-sectional areas (RA, R_B, R_C). Intensity components (I_A, I_B, IC) of the raw laser beam (5') cause a redistribution of the laser radiation contributing to the quasi-non-diffracting laser beam (5) along the optical axis (9) to form the target intensity distribution.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei ein Phasenanstieg einem Winkel entspricht, unter dem Laserstrahlung zur optischen Achse (9) geführt wird, und wobei die die lineare Absorption kompensierende zweidimensionale Phasenverteilung derart iterative bestimmt wird, dass Laserstrahlung zu mindestens einer Position einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse (9) unter mehreren Winkeln geführt wird. 21. The method according to any one of claims 19 or 20, wherein a phase increase corresponds to an angle at which the laser radiation is guided to the optical axis (9), and wherein the linear absorption-compensating two-dimensional phase distribution is determined iteratively such that laser radiation to at least one position a plurality of positions along the optical axis (9) at a plurality of angles.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21 wobei das Strahlformungselement (15) aneinander angrenzende Flächenelemente (15a) aufweist, die mit Phasenschiebungswerten versehen werden, die entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung eingestellt sind, und wobei insbesondere das Strahlformungselement (15) als 22. The method according to any one of claims 19 to 21, wherein the beam-shaping element (15) has surface elements (15a) adjoining one another, which are provided with phase shift values that are set in accordance with the two-dimensional phase distribution compensating for linear absorption, and wherein in particular the beam-shaping element (15) as
- ein Fresnel-Axicon-ähnliches diffraktives optisches Element, dessen Phasenschiebungswerte fest eingestellt sind, oder - a Fresnel Axicon-like diffractive optical element whose phase shift values are fixed, or
- ein räumlicher Lichtmodulator, dessen Phasenschiebungswerte entsprechend der die lineare- a spatial light modulator whose phase shift values correspond to the linear one
Absorption kompensierenden Phasenverteilung eingestellt wurden, ausgeführt ist. Absorption compensating phase distribution were adjusted, is executed.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, ferner mit: 23. The method according to any one of claims 19 to 22, further comprising:
Ableiten eines Höhenprofils, insbesondere eines Dickenprofils eines optischen Materials oder eines Spiegelprofils, aus der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung, wobei eine lokale Höhe einem lokalen Phasenschiebungswert entspricht, und Deriving a height profile, in particular a thickness profile of an optical material or a mirror profile, from the two-dimensional phase distribution compensating for the linear absorption, a local height corresponding to a local phase shift value, and
Ausbilden einer refraktiven oder reflektiven Axicon-Optik mit dem Höhenprofil als das Strahlformungselement.
forming a refractive or reflective axicon optic with the height profile as the beam shaping element.
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