EP4440768A1

EP4440768A1 - Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks

Info

Publication number: EP4440768A1
Application number: EP22818748.0A
Authority: EP
Inventors: Daniel FLAMM; Felix Zimmermann; Daniel Grossmann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2024-10-09
Also published as: WO2023099244A1; DE102021131811A1; KR20240112936A; CN118369180A; US20240342827A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (5) mittels eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), umfassend eine Verzögerungsplatte (2) und eine Fokussiervorrichtung (4), wobei die Verzögerungsplatte (2) dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (10) mit einer ersten Eingangspolarisation eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufzuprägen und dem Laserstrahl (10) mit einer zweiten Eingangspolarisation eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufzuprägen, die Fokussiervorrichtung (4) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in mindestens eine Fokuszone (120, 122) zu fokussieren, wobei die Strahlform des Laserstrahls (10) in der Fokuszone (120, 122) durch die ortsabhängige Phasenverzögerung bestimmt ist, und mindestens eine Fokuszone (120, 122) mindestens teilweise mit dem Werkstück (5) überlappt und das Werkstück (5) mit der Laserstrahlung in der mindestens eine Fokuszone (120, 122) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks.

Stand der Technik

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Lasern mit sehr kurzen Pulslängen, insbesondere mit Pulslängen unter einer Nanosekunde, und hohen mittleren Leistungen, insbesondere im Kilowatt- Bereich, zu einer neuen Art der Materialbearbeitung geführt. Die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung beziehungsweise die hohe Pulsenergie von einigen Mikrojoule bis 100 pJ können zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material führen, so dass beispielsweise auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge eigentlich transparente beziehungsweise im wesentlichen transparente Materialien der Lasermaterialbearbeitung zugänglich werden.

Ein besonderer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Trennen und Bearbeiten von Werkstücken. Hierbei wird bevorzugt der Laserstrahl unter senkrechtem Einfall in das Material eingebracht, da dann Reflexionsverluste an der Oberfläche des Materials minimiert werden.

Beispielsweise kann die Laserstrahlung dann dazu verwendet werden, Materialmodifikationen in das Werkstück einzubringen, wobei das Werkstück durch eine anschließende Beaufschlagung mit einem thermischen Gradienten entlang der Materialmodifikationen getrennt werden kann.

Ein solches Trennverfahren weist dementsprechend zwei Schritte auf, zwischen denen das Werkstück entweder transferiert werden muss, oder zwischen denen die Vorrichtung zum Bearbeiten des Werkstücks neu konfiguriert werden muss. Dies kann beispielsweise durch Austausch der optischen Elemente und des Lasersystems oder einzelner Komponenten, z.B. durch Wechsel der Komponenten in einem Komponentenrevolver oder einer Einschubkassette, vorgenommen werden. Dies bedeutet einen hohen Zeit- und Kostenaufwand. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist das Bearbeiten von Werkstücken unter einem Anstellwinkel, beispielsweise zum Abfasen einer Werkstückkante, beziehungsweise dem Erzeugen von Chamfer- und/oder Bevelstrukturen mit Anstellwinkeln von mehr als 30°, stellt nach wie vor ein ungelöstes Problem dar, insbesondere auch weil die hohen Anstellwinkel an der Mate rial kante zu einer starken Aberration des Laserstrahls führen und so keine gezielte Energiedeposition in das Material stattfinden kann. Des Weiteren können auf diese Weise komplexe Abfasungen oder Kantenformen, beispielsweise C-Fasen oder V-Fasen, nur mit einem erheblichen Material- und/oder Justageaufwand realisiert werden. Beispielsweise ist aus der US10494290B2 bekannt, für komplexe Fasen zwei gegeneinander justierte Laserstrahlen zu verwenden.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls eines Lasers, umfassend eine Verzögerungsplatte und eine Fokussiervorrichtung, vorgeschlagen, wobei die Verzögerungsplatte dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl mit einer ersten Eingangspolarisation eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufzuprägen und dem Laserstrahl mit einer zweiten Eingangspolarisation eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufzuprägen, wobei die Fokussiervorrichtung dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in mindestens eine Fokuszone zu fokussieren, wobei die Strahlform des Laserstrahls in der Fokuszone durch die ortsabhängige Phasenverzögerung bestimmt ist, und mindestens eine Fokuszone mindestens teilweise mit dem Werkstück überlappt und das Werkstücks mit der Laserstrahlung in der mindestens eine Fokuszone beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird.

Mit anderen Worten kann durch die Wahl der Eingangspolarisation die Strahlform umgeschaltet werden. Damit kann durch Schalten der Eingangspolarisation ein effizientes Schalten zwischen zwei unterschiedlichen Strahlformen erreicht werden. Insbesondere kann ohne einen Austausch von optischen Komponenten zwischen den einzelnen Strahlformen geschaltet werden. Ein Laser kann hierbei etwa ein Dauerstrichlaser oder ein gepulster Laser sein, insbesondere ein Ultrakurzpulslaser sein. Das Laserlicht, beziehungsweise die Laserpulse bewegen sich hierbei in Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch den Laser ausgebildeten Rohlaserstrahls.

Der Rohlaserstrahl weist eine transversale Intensitätsverteilung auf, die vom Laser vorgegeben und spezifisch ist. Unter einer transversalen Intensitätsverteilung ist eine Intensitätsverteilung zu verstehen, welche in einer zu der Strahlausbreitungsrichtung senkrecht orientierten Ebene liegt. Gewissermaßen kann ein Rohlaserstrahl verstanden werden, als ein Laserstrahl der aus einer Vielzahl von Teillaserstrahlen zusammengesetzt ist.

Der Laser kann insbesondere ein Ultrakurzpulslaser sein, der ultrakurze Laserpulse zur Verfügung stellt. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt und insbesondere zwischen 10 Pikosekunden und 100 Femtosekunden liegt. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich dabei in der Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch sie ausgebildeten Laserstrahls.

Der Laserstrahl fällt auf eine Verzögerungsplatte. Die Verzögerungsplatte ist dazu eingerichtet, dem Laserstrahl in Abhängigkeit von dem Auftreffort beim Durchgang durch die Verzögerungsplatte eine Phasenverzögerung aufzuprägen. Die Verzögerungsplatte kann insbesondere eine ortsabhängige Doppelbrechungsstruktur aufweisen.

Eine Verzögerungsplatte moduliert die Phase des einfallenden Laserstrahls. Dabei kann jede Komponente des optischen Feldes (Ex, Ey) eine andere Verzögerung spüren, was im Allgemeinen zu einem Wechsel der Polarisation führt. Beispiele hierfür sind lambda/2 oder lambda/4 Verzögerungsplatten.

Verzögerungsplatten mit räumlich abhängiger Doppelbrechungsstruktur werden beispielsweise in J. Kim et al. „Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts” Optica Vol. 2, 958 (2015) beschrieben. Optische Weglängenunterschiede werden dabei durch doppelbrechende Elemente realisiert, bei denen das Maß der Doppelbrechung eine Funktion des Ortes ist. Der so induzierte optische Weglängenunterschied und die Differenz der Phase der Feldkomponenten wird auch geometrischer Phaseneffekt (siehe die oben genannte Referenz) genannt. Zu diesem Zweck wird zur Herstellung einer Verzögerungsplatte in ein Trägermaterial eine doppelbrechende Struktur eingebracht, beispielsweise durch das Einschreiben eines Nanogitters, welches mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse eingebracht wird. Die doppelbrechende Struktur erlaubt es hierbei, eine polarisationsabhängige Phasenmodulation vorzunehmen, wobei insbesondere über die Form der doppelbrechenden Struktur (Stärke und Ausrichtung der Nanogitter) der Grad der Modulation beeinflusst werden kann. Unter Doppelbrechung wird die Fähigkeit eines optischen Materials verstanden, den einfallenden Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen zu trennen. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes des optischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur optischen Achse des optischen Materials.

Im Sinne dieser Anmeldung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen einem Winkel von 90° zueinander aufweisen. Unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen.

Wenn der Laserstrahl auf die Verzögerungsplatte trifft, so wird der Laserstrahl lokal auf die lokale optische Achse der Verzögerungsplatte projiziert. Mit anderen Worten wird der Laserstrahl in zwei Teillaserstrahlen zerlegt, deren Polarisation parallel beziehungsweise senkrecht zur lokalen optischen Achse steht. Der Brechungsindex des Materials wird hierbei über den sogenannten Indexellipsoiden angegeben, dessen Hauptachsen die sogenannten Basispolarisationskomponenten sind. Beispielsweise kann die Verzögerungsplatte lokal einen größeren Brechungsindex für senkrecht polarisierte Laserstrahlen aufweisen als für parallel zur optische Achse polarisierte Laserstrahlen. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes (und die damit verknüpfte reduzierte Lichtgeschwindigkeit c/n) weisen die Teillaserstrahlen beim Austritt aus der Verzögerungsplatte eine Phasenverzögerung auf. Über eine lokal eingestellte optische Achse der Verzögerungsplatte lässt sich somit eine Phasenfront des Laserstrahls formen.

Durch die Phasenfront des Laserstrahls kann hier insbesondere die Strahlform des Laserstrahls bestimmt werden. Beispielsweise können durch eine entsprechende Phasenfront beugende und nicht-beugende Strahlen, beziehungsweise Strahlformen, erzeugt werden, wie weiter untern gezeigt.

Die Verzögerungsplatte kann derart eingerichtet sein, dass eine erste Eingangspolarisation des Laserstrahls eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt bekommt, während eine zweite Eingangspolarisation des Laserstrahls eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt bekommt.

Beispielsweise können die erste und die zweite Eingangspolarisation senkrecht zueinander ausgerichtet sein. Dementsprechend kann beispielsweise die Projektion des Laserstrahls mit der ersten Eingangspolarisation auf die lokale optische Achse dominant auf die erste Basispolarisationskomponente erfolgen, während die Projektion der zweiten Eingangspolarisation auf die lokale optische Achse dominant auf die zweite Basispolarisationskomponente erfolgen kann. Dementsprechend ist der Phasenschub lokal unterschiedlich groß und somit abhängig von der Eingangspolarisation, insbesondere abhängig von den zwei unterschiedlichen Eingangspolarisationen.

Über die Fläche der Verzögerungsplatte zusammengenommen kann so mit einer ersten Eingangspolarisation des Laserstrahls eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung erzeugt werden und mit einer zweiten Eingangspolarisation des Laserstrahls eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung erzeugt werden. Insbesondere können mit einer ersten und zweiten Eingangspolarisation somit auch eine erste und zweite Phasenfront erzeugt werden.

Mit anderen Worten kann die Verzögerungsplatte durch die lokale Polarisationsprojektion der Eingangspolarisation des Laserstrahls auf die ortsabhängige Doppelbrechungsstruktur der Verzögerungsplatte die ortsabhängige Phasenverzögerung bereitstellen.

Die Fokussiervorrichtung kann die ortsabhängige Phasenverzögerung in mindestens eine Fokuszone überführen.

Unter der Fokuszone des Laserstrahls wird hierbei der Teil der Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Werkstücks ist. Der Begriff Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.

Hierbei kann eine Fokussiervorrichtung beispielsweise ein Teleskop sein, oder eine Linse sein oder ein Linsensystem sein. Ein Teleskop ist hierbei ein optischer Aufbau, der eine Abbildung des Laserstrahls ermöglicht, und diesen in oder auf dem Werkstück zur Verfügung stellt. Insbesondere kann ein solches Teleskop eine vergrößernde und/oder eine verkleinernde Wirkung aufweisen.

Insbesondere kann ein Teil der optischen Funktionalität des Teleskops in die Verzögerungsplatte integriert sein. Beispielsweise kann die Verzögerungsplatte zusätzlich zu einer ersten ortsabhängigen Phasenverzögerung eine weitere ortsabhängige Phasenverzögerung aufweisen, wobei die weitere ortsabhängige Phasenverzögerung der Phasenverzögerung entspricht, die eine Linse einem Laserstrahl beim Durchgang durch die Linse aufprägt. Somit kann die Verzögerungsplatte eine Linsenwirkung mit einer ortsabhängigen Phasenverzögerung vereinen. Ein Teleskop kann somit auch mit einer Verzögerungsplatte und einer Linse konstruiert werden.

Eine Vergrößerung und oder eine Verkleinerung des Laserstrahls beziehungsweise dessen transversaler Intensitätsverteilung erlaubt es die Laserenergie auf eine große oder kleine Fokuszone zu verteilen. Durch das Verteilen der Laserenergie auf eine große oder kleine Fläche wird die Intensität angepasst, so dass insbesondere durch die Vergrößerung und/oder Verkleinerung der Laserintensität auch zwischen den Modifikationstypen I, II, und III gewählt werden kann, wie weiter unten gezeigt.

Wenn ein ultrakurzer Laserpuls in ein Material des Werkstücks fokussiert wird, kann die Intensität im Fokusvolumen zu einer nichtlinearen Absorption durch beispielsweise Multiphotonen- Absorptions- und/oder Elektronen-Lawinen-Ionisationsprozessen führen. Diese nichtlineare Absorption führt zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Plasmas, wobei bei dessen Abkühlung dauerhafte Strukturänderungen im Material des Werkstücks induziert werden können.

Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien verursachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Der Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; der Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und der Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum, welcher durch sogenannte Mikroexplosionen erzeugt wird. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.

Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Werkstücks zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Werkstücks höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Werkstück im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.

Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings beziehungsweise Nanogittern einher. Die Voids (Hohlräume) der Typ 111-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void) beziehungsweise eine Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem Werkstück Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.

Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstigt diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.

Es ist insbesondere möglich durch die Materialbearbeitung das Werkstück entlang einer Trennlinie zu trennen. Hierfür kann die Vorrichtung eine Vorschubvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Werkstück und das Laserfeld relativ zueinander mit einem Vorschub entlang einer Trajektorie zu bewegen, wie weiter untern genauer erläutert.

Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trajektorie in das Werkstück eingebracht. Die Trajektorie beschreibt hierbei die Auftrefflinie des Laserfeldes auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass für zwei aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zum Bearbeiten eines Werkstücks eine einfache Möglichkeit zur Umschaltung zwischen zwei Strahlformen gegeben ist, so dass die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte entsprechend mit unterschiedlichen Strahlformen ausgeführt werden können. Insbesondere genügt es hierbei die Eingangspolarisation des Laserstrahls zu wechseln, welches mit einem deutlich geringeren Aufwand verbunden ist, als die bekannten Lösungen des Standes der Technik.

Die erste ortsabhängige Phasenverzögerung kann konisch und linsenartig sein und/oder die zweite ortsabhängige Phasenverzögerung kann konstant sein.

Eine konstante ortsabhängige Phasenverzögerung weist an jeder Stelle des Laserstrahls denselben Wert auf. Beispielsweise wird der Laserstrahl beim Durchgang durch die Verzögerungsplatte homogen verzögert. Eine konstante Phasenverzögerung eines Gauß’schen Laserstrahls führt dazu, dass bei dem durch die Verzögerungsplatte hindurchtretenden Laserstrahl die Phasenfront des Laserstrahls unverändert bleibt. Dadurch ist der Laserstrahl auch nach der Verzögerungsplatte noch ein Gauß’scher Laserstrahl.

Eine konische und linsenartige Phasenverzögerung folgt der Gleichung <p= a r+b r², wobei a die Konuskonstante ist, b die Linsenkonstante ist und r der Abstand zur Strahlmitte des Laserstrahls ist. Mit anderen Worten ist der konische Anteil der Phasenverzögerung linear mit dem Abstand r und der linsenartige Anteil der Phasenverzögerung quadratisch mit dem Abstand r eingestellt. Damit wird gleichzeitig eine konische Phasenverzögerung und eine Linsenwirkung durch die Verzögerungsplatte bereitgestellt.

Dementsprechend steigt die Phasenverzögerung mit zunehmendem Abstand zur Strahlmitte an, oder fällt ab. Gewissermaßen kann mit der Konuskonstanten a der Öffnungswinkel des Konus bestimmt werden, der entsteht, wenn der Laserstrahl durch ein Axicon fallen würde. Durch den Term b r² kann eine Phasenverzögerung erzeugt werden, die der Phasenverzögerung beim Durchgang durch eine Linse entspricht. Insbesondere kann somit gemeinsam zu einer ortsabhängigen Phasenverzögerung wie oben beschrieben eine Linsenfunktion realisiert werden.

Das hat den Vorteil, dass der Gauß‘sche Laserstrahl mit einer einzigen nachgelagerten Linse der Fokussiervorrichtung fokussiert werden kann. Der Laserstrahl mit der konischen und linsenartigen Phasenverzögerung hingegen kann nach dem Durchgang durch die Fokussiervorrichtung noch die konische Phasenverzögerung aufweisen, so dass ein nicht-beugender Laserstrahl erzeugt wird.

Insbesondere kann damit der Laserstrahl mit der konstanten Phasenverzögerung in der Fokuszone eine Gaußförmige Strahlform aufweisen und/oder der Laserstrahl mit der konischen und linsenartigen Phasenverzögerung kann in der Fokuszone eine quasi nicht-beugende Strahlform aufweisen. Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften quasi nicht-beugender und nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322- 1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.

Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch ein in Strahlausbreitungsrichtung elongierter Materialabtrag oder Materialmodifikation erzeugt werden, um beispielsweise ein einfaches Trennen eines Werkstücks zu gewährleisten.

Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nichtbeugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.

Beispielsweise kann ein nicht-beugender Strahl aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus parallelen Teillaserstrahlen erzeugt werden, wenn alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel ß zur optischen Achse des Laserstrahls gebrochen werden. Dies hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. So kann über eine longitudinale Länge parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden. Ein Laserstrahl bei dem alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel ß zur optischen Achse gebrochen werden, wird idealer nicht-beugender Referenzstrahl genannt.

Die ortsabhängige Doppelbrechungsstruktur kann ein Nanogitter sein.

Ein Nanogitter kann bedeuten, dass an allen Gitterpunkten des Gitters eine lokale optische Achse eingestellt werden kann. Dem Gitter wohnt hierbei insbesondere gewisse Regelmäßigkeit inne. Wenn ein Nanogitter beispielsweise 10x10 Gitterpunkte aufweist, dann kann an jedem der 100 Gitterpunkte die optische Achse der Doppelbrechungsstruktur eingestellt werden. Je mehr Gitterpunkte verwendet werden, desto genauer kann die ortsabhängige Phasenverzögerung eingestellt werden und desto genau kann eine Phasenfront des Laserstrahls eingestellt werden.

Bevorzugt kann das Nanogitter in einem transparenten Trägermaterial als Typ-2 Modifikation bereitgestellt ist, wobei besonders bevorzugt das Trägermaterial Quarzglas ist.

Diese Nanogitter sind in ihrer Stärke (Brechungsindexdifferenz) und Ausrichtung (Hauptachsen des Indexellipsoids) durch die Laserparameter des Ultrakurzpuls-Schreiblasers. Beispielsweise kann über die Polarisation, die Pulsenergie und den Pulsabstand das Nanogitter lokal konfiguriert werden.

Ein Polarisatorelement kann dazu eingerichtet sein die Polarisation des Laserstrahls einzustellen, wobei das Polarisatorelement vor der Fokuszone, bevorzugt vor der Fokussiervorrichtung, besonders bevorzugt vor der Verzögerungsplatte angeordnet wird.

Ein Polarisatorelement kann beispielsweise ein Polarisator sein, etwa ein Dünnfilmpolarisator sein. Beispielsweise kann durch einen Polarisator eine bestimmte Polarisationsrichtung aus dem Laserstrahl herausgefiltert werden.

Durch das Polarisatorelement kann entsprechend die Eingangspolarisation eingestellt werden und damit ein Schalten zwischen unterschiedlichen Strahlformen ermöglicht werden,

Beispielsweise kann ein zirkularpolarisierter Laserstrahl auf die Verzögerungsplatte gelenkt werden. Der zirkularpolarisierte Laserstrahl setzt sich zusammen aus einer s-polarisierten Komponente und einer p-polarisierten Komponente, wobei beide Komponenten zueinander Phasenverschoben sind. Die s-polarisierte Komponente bekommt durch die Verzögerungsplatte eine erste ortabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt und die p-polarisierte Komponente bekommt durch die Verzögerungsplatte eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt. Beide Polarisationskomponenten mit den unterschiedlichen ortsabhängigen Phasenverzögerungen überlagern sich nach der Verzögerungsplatte.

Wenn der Polarisator vor der Fokuszone angeordnet ist, dann kann eine Polarisationskomponente des Laserstrahls mit den überlagerten Phasenverzögerungen in das Material eingebracht werden. Wenn der Polarisator nach der Verzögerungsplatte und vor der Fokussiervorrichtung angeordnet ist, dann kann ebenfalls nur eine Polarisationskomponente des Laserstrahls mit den überlagerten Phasenverzögerungen in das Material eingebracht werden.

Wenn der Polarisator vor der Verzögerungsplatte angeordnet ist, dann kann damit eine lineare Polarisationskomponente des zirkular polarisierten Laserstrahls gewählt werden. Wenn der Polarisator so eingestellt, dass die Eingangspolarisation des Laserstrahls einer ersten durch die Verzögerungsplatte bestimmten Polarisation entspricht, dann wird lediglich die erste ortsabhängige Phasenverzögerung durch die Verzögerungsplatte erzeugt. Wenn die Polarisation des Laserstrahls einer zweiten durch die Verzögerungsplatte bestimmten Polarisation entspricht, dann wird lediglich die zweite ortsabhängige Phasenverzögerung durch die Verzögerungsplatte erzeugt.

Der Polarisator kann jedoch auch so eingestellt werden, dass ein erster Teil einer s-Polarisation und ein zweiter Teil einer p-Polarisation durch den Polarisator transmittiert wird. Somit lassen sich über die Anteile der Polarisationen auch die Anteile der ersten und zweiten ortsabhängigen Phasenverzögerung bestimmten. Ferner kann durch die Wahl der Eingangspolarisation die Intensität der verschiedenen Strahlformen in der oder den Fokuszonen bestimmt werden. Mit anderen Worten lassen sich durch Einstellen der Eingangspolarisation des Laserstrahls die relative Leistung der verschiedenen Strahlteile einstellen.

Ein Polarisatorelement kann jedoch auch eine Wellenplatte umfassen, mit dem die Umwandlung von linear polarisierten Teillaserstrahlen mit senkrecht zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen in zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn kann. Insbesondere kann die Vorrichtung eine A/4-Platte aufweisen, die dazu eingerichtet ist eine zirkulare Polarisation des einfallenden Laserstrahls in eine lineare Polarisation beziehungsweise eine lineare Polarisation in eine zirkulare Polarisation zu überführen, wobei die A/4-Platte in Strahlausbreitungsrichtung vor der Verzögerungsplatte angeordnet sein kann.

Dadurch ist es möglich aus einem s- oder p-polarisierten Laserstrahl einen rechtszirkular oder linkszirkular polarisierten Laserstrahl zu erzeugen. Es ist aber auch möglich aus den s-polarisierten oder p-polarisierten Laserstrahlen rechtszirkular und linkszirkular polarisierte Laserstrahlen zu formen.

Insbesondere ermöglicht das Verwenden einer A/4 Platte eine Flexibilität bei der Ausgestaltung der Vorrichtung. Insbesondere kann hierbei aber auch eine Polarisationsabhängigkeit der Materialbearbeitung berücksichtigt werden, so dass das Werkstück mit besonders hoher Qualität bearbeitet werden kann.

Es ist auch möglich, dass das Polarisatorelement eine rotierbare A/4 Platte und/oder eine A/2 Platte und/oder eine Pockelszelle umfasst. Beispielsweise kann durch die Rotation die Polarisationseinstellung während des Bearbeitungsprozesses variiert und/oder eingestellt werden, so dass ein stetiger und schneller Wechsel der Eingangspolarisation ermöglicht wird. Eine Pockelszelle dreht hierbei die Polarisation des Durchtretenden Laserstrahls proportional zu einer angelegten Spannung, so dass hiermit prinzipiell ein Schalten der Polarisationszustände ermöglicht wird.

Ein strahlformendes Element kann dazu eingerichtet sein eine Strahlformung und/oder Strahlvervielfältigung vorzunehmen. Das strahlformende Element kann hierbei in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Verzögerungsplatte angeordnet sein.

Das strahlformende Element kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element (DOE) sein. Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Erzeugung einer Intensitätsverteilung des Laserstrahls verwendet werden kann. Ein diffraktives optisches Element kann auch dazu geeignet sein einen einfallenden Laserstrahl in mehrere Teillaserstrahlen aufzuspalten. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird oder in die gewünschte Intensitätsverteilung überführt wird.

Hierbei kann über das diffraktive optische Element beispielsweise die Anzahl an Teillaserstrahlen festgelegt werden. Insbesondere kann durch das diffraktive optische Element festgelegt werden, ob die aufgespalteten Teillaserstrahlen einer eindimensionalen Linie oder auf einem zweidimensionalen Gitter liegen. Die Aufspaltung kann hierbei unabhängig von der Polarisation des Laserstrahls bewirkt werden. Insbesondere bleibt die Polarisation des Laserstrahls beim Durchgang durch das diffraktive optische Element erhalten.

Das strahlformende Element kann insbesondere eine geätzte Mikrostruktur sein, wobei bevorzugt das strahlformende Element aus Fused Silica besteht oder dieses umfasst.

Das strahlformende Element kann mindestens zwei Zonen aufweisen, wobei die erste Zone dazu eingerichtet sein kann eine erste Strahlvervielfältigung und/oder Strahlformung vorzunehmen und somit einen ersten Strahlteil bereitzustellen und wobei die zweite Zone dazu eingerichtet sein kann eine zweite Strahlvervielfältigung und/oder Strahlformung vorzunehmen und somit einen zweiten Strahlteil bereitzustellen.

Eine erste Zone und eine zweite Zone sind hierbei räumliche Abschnitte des strahlformenden Elements, die voneinander getrennt vorliegen. Beispielsweise können die obere Hälfte und die untere Hälfte des strahlformenden Elements die erste und zweite Zone bilden. Der Laserstrahl der auf die erste Zone fällt kann beispielsweise durch das diffraktive optische Element vervielfältigt werden, während ein Laserstrahl, der auf die zweite Zone fällt, lediglich transmittiert wird. Es kann aber auch sein, dass die zwei Zonen eine unterschiedliche Vervielfältigung herbeiführen.

Die erste Zone es strahlformenden Elements kann eine zentrale Zone sein und die zweite Zone kann eine neutrale Außenzone sein.

Insbesondere können kann das strahlformende Element so in radiale Segmente unterteilt werden. Ein radiales Segment ist ein runder Abschnitt oder ein ringförmiger Abschnitt, wobei der Mittelpunkt des Abschnitts mit der Mitte des strahlformenden Elements zusammenfällt.

Beispielsweise kann um die Mitte des strahlformenden Elements ein erster runder Abschnitt erzeugt werden, beispielsweise mit einem ersten Radius. Beispielsweise kann um die Mitte ein zweiter ringförmiger Abschnitt erzeugt werden, dessen Außenradius ein zweiter Radius ist und dessen Innenradius der erste Radius ist. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element in der zweiten Zone nicht geätzt sein, sondern neutral sein, so dass es den darauf treffenden Laserstrahl lediglich transmittiert.

In der ersten Zone des strahlformenden Elements kann eine Strahlvervielfältigung des einfallenden Laserstrahls vorgenommen werden, wobei die Fokuszonen durch die erste Zone des strahlformenden Elements in drei Raumdimensionen angeordnet werden können, insbesondere entlang einer Trennlinie angeordnet werden können. Bevorzugt kann die erste Zone des strahlformenden Elements somit ein 3D-Strahlteiler sein.

In dem der Laserstrahl auf die erste Zone des strahlformenden Elements trifft, kann der Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen zerlegt werden. Insbesondere hat hierbei jeder Teillaserstrahl die gleiche Phasenfront wie der einfallende Laserstrahl. Dementsprechend kann durch die Fokussiervorrichtung auch eine Vielzahl von identischen Fokuszonen erzeugt werden.

Die Fokuszonen können in drei Raumdimensionen angeordnet werden. Beispielsweise können die Fokuszonen in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung liegt. Es kann auch sein, dass die Fokuszonen in einer Ebene liegen, die um einen Winkel gegenüber der Strahlausbreitungsrichtung verkippt ist. Dementsprechend weisen die Fokuszonen verschiedene Einbringtiefen auf, beziehungsweise werden die Fokuszonen entlang verschiedener Tiefen der Strahlausbreitungsrichtung erzeugt. Insbesondere wird durch eine obige Anordnung der Strahl in drei Raumdimensionen aufgeteilt. Die erste Zone fungiert somit als sogenannter 3D Strahlteiler.

Die erste Zone des strahlformenden Elements kann den Laserstrahl mit einer konstanten Phasenverzögerung empfangen und nach der Fokussiervorrichtung eine Vielzahl von Gaußförmigen Fokuszonen bereitstellen, die auf einer Trennlinie angeordnet sind, wobei bevorzugt die Bearbeitung darin besteht, dass das Werkstück entlang der Trennlinie abgefast wird.

Beispielsweise kann die Vielzahl an Gaußförmigen Fokuszonen in einer Ebene angeordnet sein, in der die Strahlausbreitungsrichtung liegt und deren Flächennormale der Vorschubvektor ist. Insbesondere können die Gaußförmigen Fokuszonen in der Ebene ebenfalls entlang einer Trennlinie angeordnet sein. Diese Trennlinie kann beispielsweise gerade sein oder gekrümmt sein und kann unter einem Winkel zur Oberfläche des Werkstücks stehen.

Gleichzeit trifft aber jeder Teillaserstrahl der die Gaußförmigen Fokuszonen bildet senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks. Dadurch können insbesondere Reflexionsverluste an der Oberfläche des Werkstücks vermieden werden. Es kann ebenso der Einsatz eines optischen Bearbeitungskeils vermieden werden.

Insbesondere kann so eine Trennebene am Werkstück definiert werden, entlang der das Werkstück abgefast werden soll. Die Trennebene wir hierbei definiert durch die Gesamtheit der bei dem Vorschub mit dem Werkstück überlappenden Trennlinien.

Die zweite Zone des strahlformenden Elements kann den Laserstrahl mit der konischen Phasenverzögerung empfangen und eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone bereitstellen, wobei bevorzugt die Bearbeitung darin besteht, dass das Werkstück entlang der in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone getrennt wird.

Die elongierte Fokuszone kann hierbei senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks orientiert sein. Insbesondere kann die elongierte Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung länger als die Dicke des Werkstücks sein. Dadurch ist es möglich Materialmodifikationen in das Werkstück einzubringen, so dass das Werkstück entlang der Trennebene getrennt werden kann. Insbesondere kann durch eine solche Trennung das Werkstück verkürzt oder in Form gebracht werden.

Insbesondere kann so eine weitere Trennebene am Werkstück definiert werden, entlang der das Werkstück getrennt werden soll. Die weitere Trennebene wir hierbei definiert durch die Gesamtheit der bei dem Vorschub mit dem Werkstück elongierten Fokuszonen. Die Trennlinie und der Vorschub können wie beschrieben eine erste Trennebene definieren und die elongierte Fokuszone und der Vorschub können eine zweite Trennebene definieren, wobei sich die erste Trennebene und die zweite Trennebene schneiden können, wodurch das Werkstück gleichzeitig entlang der in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone getrennt wird und entlang der Trajektorie abgefast wird.

Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren können entsprechend in einem Prozess zum Herstellen einer gefasten Glaskante angewendet werden. Dazu wird beispielsweise in einer ersten Überfahrt mit einer elongierten Fokuszone eine Kastenform mit senkrechten Wänden erzeugt und nach Umschalten der Strahlform in einer zweiten Überfahrt wird dann ein Oberflächenabtrag mit einer Gaußförmigen Fokuszone am Ende der erzeugten Modifikation erzeugt, der einen Taperwinkel aufweisen kann. Nach dem Trennen des Werkstücks kann sich dann beispielsweise eine gefaste Glaskante mit Dimensionen von 10 pm bis 50 pm ergeben, bei einem Taperwinkel zwischen 10° und 45°.

Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Vorschubvorrichtung aufweisen, mit der der Vorschub erzeugt wird. Vorschubvorrichtung kann hierbei beispielsweise ein XY- oder ein XYZ-Tisch sein, um den Auftreffort der Laserpulse auf dem Werkstück zu variieren. Die Vorschubvorrichtung kann hierbei das Werkstück und/oder den Laserstrahl so bewegen, dass die Materialmodifikationen nebeneinander in das Material des Werkstücks entlang der Trennlinie eingebracht werden können. Dadurch können oben genannte Trennebenen definiert werden.

Die Vorschubvorrichtung kann eine Achsvorrichtung und eine Werkstückhalterung umfassen, die dazu eingerichtet sind die Bearbeitungsoptik und das Werkstück entlang dreier Raumachsen translatorisch und um mindestens zwei Raumachsen rotatorisch relativ zu bewegen.

Eine Achsvorrichtung kann beispielsweise eine 5-Achsvorrichtung sein. Beispielsweise kann die Achsvorrichtung auch eine Roboterarm sein, der den Laserstrahl über das Werkstück führt, oder das Werkstück gegenüber dem Laserstrahl bewegt.

Insbesondere ist es durch eine solche Achsvorrichtung auch gleichzeitig möglich, eine nichtradialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls relativ Vorschubrichtung zu orientieren, so dass Materialmodifikationen erzeugt werden, deren Vorzugsrichtung parallel zur Vorschubtrajektorie verlaufen und entlang dieser eine Rissbildung begünstigen.

Eine Achsvorrichtung kann des Weiteren auch weniger als 5 bewegliche Achsen umfassen, solange die Werkstückhalterung um die entsprechende Anzahl an Achsen beweglich ist. Wenn beispielsweise die Achsvorrichtung lediglich in XYZ-Richtungen verschiebbar sind, dann kann die Werkstückhalterung beispielsweise zwei rotatorische Achsen aufweisen, um das Werkstück relativ zum Laserstrahl zu rotieren.

Eine Strahlführungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl zur Vorrichtung zu führen, wobei die Strahlführungsvorrichtung über ein Spiegelsystem und/oder eine optische Faser, bevorzugt eine Hohlkernfaser erfolgt.

Eine sogenannte Freistrahlführung verwendet ein Spiegelsystem, um den Laserstrahl eines stationären Ultrakurzpulslasers in verschiedenen Raumdimensionen zur Strahlformungsoptik zu führen. Eine Freistrahlführung hat den Vorteil, dass der gesamte optische Pfad zugänglich ist, so dass beispielsweise weitere Elemente wie ein Polarisator und eine Wellenplatte unproblematisch eingebaut werden können.

Eine Hohlkernfaser ist eine photonische Faser die den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers flexibel zur Strahlformungsoptik weiterleiten kann. Durch die Hohlkernfaser entfällt das Justieren eine Spiegeloptik.

Eine Regelelektronik kann dazu eingerichtet sein aufgrund der relativen Positionen von Laserstrahl und Werkstück eine Laserpulsabgabe des Ultrakurzpulslasers auszulösen.

Bei gekrümmten oder eckigen Vorschubtrajektorien kann es sinnvoll sein, die Vorschubgeschwindigkeit lokal zu reduzieren. Bei einer konstanten Repetitionsfrequenz des Lasers kann dies jedoch dazu führen, dass die Materialmodifikationsfläche nicht homogen ausgebildet wird und somit beim Trennschritt keine gleichmäßige Oberflächengüte erzielt werden kann. Aus diesem Grund kann eine Regelelektronik die Pulsabgabe in Abhängigkeit von der relativen Position von Laserstrahl und Werkstück regeln.

Beispielsweise kann die Vorschubvorrichtung über einen ortsauflösenden Encoder verfügen, der die Position der Vorschubvorrichtung und des Laserstrahls vermisst. Aufgrund der Ortsinformation kann über ein entsprechendes Auslösesystem der Regelelektronik die Pulsabgabe eines Laserpulses beim Ultrakurzpulslaser ausgelöst werden.

Zur Realisierung der Pulsauslösung können insbesondere auch Computersysteme eigesetzt werden. Beispielsweise können für die jeweilige Trennlinie vor dem Bearbeiten des Materials die Orte der Laserpulsabgabe festgelegt werden, so dass eine optimale Verteilung der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie gewährleistet ist. Dadurch wird erreicht, dass der Abstand der Materialmodifikationen stets gleich groß ist, auch wenn die Vorschubgeschwindigkeit variiert. Insbesondere wird dadurch auch erreicht, dass eine gleichmäßige Trennfläche erzeugt werden kann und der Chamfer beziehungsweise Bevel eine hohe Oberflächenqualität aufweist.

Die Werkstückhalterung kann eine den Laserstrahl nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche aufweisen.

Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl der das Werkstück durchdringt, nicht zum Werkstück zurück reflektiert wird und dort erneut eine Materialmodifikation vornimmt.

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls eines Lasers vorgeschlagen, wobei dem Laserstrahl mit einer ersten Eingangspolarisation von einer Verzögerungsplatte eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt wird, und dem Laserstrahl mit einer zweiten Eingangspolarisation von der Verzögerungsplatte eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt wird, wobei der Laserstrahl mit einer Fokussiervorrichtung in mindestens eine Fokuszone fokussiert wird, wobei die Strahlform des Laserstrahls in der Fokuszone durch die ortsabhängige Phasenverzögerung bestimmt ist, wobei mindestens eine Fokuszone mindestens teilweise mit dem Werkstück überlappt und das Material des Werkstücks mit der Laserstrahlung in der mindestens eine Fokuszone beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird.

Die erste ortsabhängige Phasenverzögerung kann konisch und linsenartig sein und/oder die zweite ortsabhängige Phasenverzögerung kann konstant sein und der Laserstrahl mit der konstanten Phasenverzögerung kann durch die Fokussiervorrichtung in eine Gaußförmige Fokuszone abgebildet werden und/oder der Laserstrahl mit der konischen Phasenverzögerung kann eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone abgebildet werden.

In einem ersten Verfahrensschritt kann mit einer ersten Eingangspolarisation ein Laserstrahl mit einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone erzeugt werden, wobei die Strahlausbreitungsrichtung senkrecht zur Materialoberfläche orientiert ist, und durch die Beaufschlagung des Werkstücks Materialmodifikationen in das Werkstück eingebracht werden, und in einem zweiten Verfahrensschritt kann mit einer zweiten Eingangspolarisation mindestens eine Gaußförmige Fokuszone erzeugt werden, die mit mindestens einer Materialmodifikation überlappt, und das Werkstück durch die thermische Beaufschlagung in der Fokuszone entlang der elongierten Materialmodifikationen getrennt wird.

Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren können entsprechend als selbsttrennender Prozess, in dem das Werkstück ohne Einwirkung weiterer mechanischer Kräfte getrennt wird, verwendet werden. In einer ersten Überfahrt können entsprechend Materialmodifikationen mit dem Laserstrahl eingebracht werden und nach Umschalten der Strahlform in einer zweiten Überfahrt wird dann der Trennprozess durch die thermische Beaufschlagung entlang der Materialmodifikationen initiiert.

Durch die thermische Beaufschlagung in der Gaußförmigen Fokuszone wird in dem Werkstück ein thermischer Gradient erzeugt. Ein thermischer Gradient kann bedeuten, dass die Temperatur auf und/oder in dem Werkstück nicht homogen verteilt ist. Beispielsweise kann es einen thermischen Gradienten zwischen zwei Oberflächen des Werkstücks geben. Dann ist die Temperatur an einer oberen Oberfläche höher, als an einer unteren Oberfläche. Es kann aber auch sein, dass es eine Temperaturverteilung auf einer Oberfläche oder in einer Ebene des Werkstückes gibt.

Beispielsweise kann dann das Werkstück an einem Punkt A der oberen Oberfläche wärmer sein, als an einem Punkt B derselben oberen Oberfläche. Dann entsteht ein sogenannter thermischer Gradient zwischen den Punkten A und B.

Wenn sich der thermische Gradient über die Materialmodifikation erstreckt, dann bedeutet das beispielsweise, dass innerhalb der räumlichen Ausdehnung der Materialmodifikation oder des Materialmodifikationsbereichs verschiedene Temperaturen vorliegen. Es kann aber auch bedeuten, dass die Materialmodifikation lediglich innerhalb des durch den thermischen Gradienten beschriebenen Temperaturverlaufs liegt. Insbesondere braucht sich dann die Temperatur innerhalb der räumlichen Ausdehnung des Materialmodifikationsbereichs nicht zu ändern.

Das hat den Vorteil, dass sich das Werkstück an verschiedenen Punkten unterschiedlich stark erhitzt. Durch die daraus folgende unterschiedliche thermische Ausdehnung des Werkstücks können Materialspannungen in das Werkstück eingebracht werden. Durch die Materialmodifikationen im ersten Verfahrensschritt wurde das Werkstück gezielt geschwächt, so dass das Werkstück ausgehend von der Materialmodifikation oder den Materialmodifikationen durch den thermischen Gradienten reißt und/oder springt.

Somit kann das Werkstück durch die thermische Beaufschlagung entlang der Trennebene getrennt werden. Das strahlformende Element kann den Laserstrahl mit der konstanten Phasenverzögerung in eine Vielzahl von Gauß‘schen Fokuszonen überführen, wobei die Fokuszonen in drei Raumdimensionen angeordnet sind, insbesondere entlang einer Trennlinie angeordnet sind, die unter einem Winkel mit der Strahlausbreitungsrichtung steht, wodurch das Werkstück abgefast wird.

Der Laserstrahl mit der konischen Phasenverzögerung kann in eine elongierte Fokuszone überführt werden, wodurch das Werkstück getrennt wird.

Die Laserstrahlen mit gemischter Polarisation das Material des Werkstücks gleichzeitig abfasen und trennen, wobei durch ein Einstellen der Polarisation des Laserstrahls die relative Leistung der verschiedenen Strahlteile eingestellt wird.

In einer weiteren Anwendung kann die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren zum Abtragen einer Beschichtung vor dem eigentlichen Glastrennen verwendet werden. Dazu wird zunächst die Beschichtung lokal durch Beaufschlagung des beschichteten Glassubstrats mit einer Gaußförmigen Fokuszone entfernt und nach Umschalten der Strahlform in nachfolgend ein Trennen durch das Einbringen einer langgezogenen Modifikation mittels einer elongierten Fokuszone initiiert.

In einer weiteren Anwendung kann die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren zum Fügen komplexer Bauteile verwendet werden. Dabei können beispielsweise während einer Überfahrt durch das Umschalten zwischen unterschiedlichen Fokuszonen die Fokuszonen entsprechend der Geometrie der vorliegenden zu fügenden Grenzflächen umgeschaltet werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 A, B, C, D eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der

Vorrichtung;

Figur 2A, B eine weitere schematische Darstellung einer ersten

Ausführungsform der Vorrichtung;

Figur 3A, B, C, D, E, F, G, H eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens zum Bearbeiten eines Materials;

Figur 4A, B eine weitere schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung; Figur 5A, B, C eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der

Vorrichtung und des Verfahrens zum Bearbeiten eines Werkstücks; und

Figur 6A, B, C eine weitere schematische Darstellung einer zweiten

Ausführungsform des Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.

In Figur 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung gezeigt.

Die Vorrichtung umfasst hierbei einen Laser 1 , eine Verzögerungsplatte 2, ein strahlformendes Element 3 und eine Fokussiervorrichtung 4. Der Laser 1 stellt hierbei einen Laserstrahl 10 bereit, der sich entlang der z-Achse ausbreitet. Der Laserstrahl 10 weist hierbei eine gewisse Eingangspolarisation auf, die im vorliegenden Fall eine p-Polarisation ist. Der elektrische Feldvektor E_y ist somit parallel zur y-Achse polarisiert. Der Laserstrahl 10 mit der p-Polarisation fällt auf die Verzögerungsplatte 2. Die Verzögerungsplatte 2 ist dazu eingerichtet einem Laserstrahl 10 mit einer zweiten Polarisation eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung (die erste Polarisation und die erste ortsabhängige Phasenverzögerung werden weiter unten beschrieben) aufzuprägen. Die Funktionsweise der Verzögerungsplatte 2 ist weiter unten erklärt. Die zweite Phasenverzögerung ist im vorliegenden Fall eine konstante Phasenverzögerung. Dementsprechend wird dem Laserstrahl 10 lediglich eine konstante Phasenverzögerung aufgeprägt. Insbesondere wird hierbei die Phasenfront 100 des Laserstrahls 10 nicht beeinflusst. Insbesondere bleibt ein Gauß‘scher Laserstrahl 10 mit der zweiten Polarisation ein Gaußscher Laserstrahl 10 nach dem Durchlaufen der Verzögerungsplatte 2.

Eine Verzögerungsplatte 2 ist in Figur 1 B im Detail gezeigt. Die Verzögerungsplatte weist hierbei doppelbrechende Strukturen 200 auf, die entlang einem Gitter beziehungsweise entlang den Gitterpunkten eines Gitters ausgerichtet sind. Dementsprechend sind die doppelbrechenden Strukturen 200 hier als Gitterelemente eines Nanogitters 20 ausgeführt. Die doppelbrechenden Strukturen 200 können beispielsweise als Typ-Il-Modifikation in ein Quarzglas geschrieben werden. Wenn ein Laserstrahl 10 auf das Nanogitter 20 fällt, so wird der Laserstrahl 10 durch die lokal unterschiedlich wirkende Doppelbrechung unterschiedlich stark verzögert. Dadurch kann dem Laserstrahl 10 eine ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt werden.

Beispielsweise ist in einem ersten Fall das Indexellipsoid des Gitterelements eine Kugel. Dementsprechend sind die Brechungsindizes entlang der x-Achse n_x und der y-Achse n_y gleich groß. Beim Durchtritt durch die Verzögerungsplatte erfahren sowohl die x- als auch die y- Polarisationskomponente des Laserstrahls 10 einen gleich großen Phasenschub:

Wobei Ao die Wellenlänge des Laserstrahls 10 ist und d die lokale Dicke der Verzögerungsplatte.

In einem zweiten Fall ist der Brechungsindex wieder eine Kugel, jedoch sind die Brechungsindizes entlang der x- und y-Achse kleiner als die im ersten Fall. Der Teil des Laserstrahls 10, der auf den zweiten Abschnitt trifft, wird also in der Phase weniger stark verzögert, als der Teil des Laserstrahls, der auf den ersten Abschnitt fällt.

In einem dritten Fall sind die Brechungsindizes entlang der x- und y-Achsen unterschiedlich. Dementsprechend werden die Polarisationskomponenten des Laserstrahls unterschiedlich stark verzögert. Wenn ein Laserstrahl 10 in der x-Achse polarisiert ist, dann ist die Phasenverzögerung beispielsweise kleiner, als wenn der Laserstrahl y-polarisiert wäre. Insbesondere ist hierdurch klar, wie die Verzögerungsplatte eine ortsabhängige Phasenverzögerung erzeugen kann, nämlich indem lokal unterschiedliche Indexellipsoide bereitgestellt werden, die den Laserstrahl 10 polarisationsabhängig verzögern.

In einem einfachen Beispiel soll eine Phasenverzögerung einer Linse imitiert werden: Bei einer Linse wird die Phasenverzögerung typischerweise durch die Variation der Dicke d des optischen Materials bei konstantem Brechungsindex n erzeugt. Wie oben gezeigt, geht die Dicke d des optischen Materials und auch der Brechungsindex linear in die Phasenverzögerung ein. Dementsprechend kann eine Linsenwirkung auch hervorgerufen werden, wenn bei konstanter Materialdicke d der Brechungsindex n verändert wird. Beispielsweise kann eine Verzögerungsplatte 2 als Sammellinse wirken, wenn der Brechungsindex in der Mitte der Verzögerungsplatte 2 groß ist und stetig radial abfällt. Die Verzögerungsplatte kann nun Indexellipsoide aufweisen, deren x- Komponenten eine solche Variation des Brechungsindex aufweisen. Dementsprechend würde eine solche Verzögerungsplatte 2 wie eine Linse für einen x-polarisierten Laserstrahl wirken. Gleichzeitig können die Indexellipsoide in der y-Komponente einen konstanten Wert aufweisen. Dann ist die ortsabhängige Phasenverzögerung für einen y-polarisierten Laserstrahl überall gleich groß, so dass der gesamte Laserstrahl 10 gleichmäßig verzögert wird, wie in Figur 1A gezeigt. Der Laserstrahl 10, der aus der Verzögerungsplatte 2 austritt, weist also eine homogene Phasenverzögerung auf, beziehungsweise weist der Laserstrahl 10 parallele Phasenfronten 100 auf.

Der Laserstrahl 10 tritt anschließend durch ein strahlformendes Element 3. Das strahlformende Element 3 weist hierbei zwei Zonen 31 , 32 auf. Die erste Zone 31 verursacht beispielsweise eine Strahlvervielfältigung den einfallenden Laserstrahls 10. Die erste Zone 31 kann beispielsweise durch ein diffraktives optisches Element gebildet werden, so dass der einfallende Laserstrahl 10 in die gewünschte Anzahl an Teillaserstrahlen aufgeteilt werden kann.

Das diffraktive optische Element kann dabei beispielsweise ein diffraktiver oder holographischer 3D Strahlteiler sein, siehe Flamm, Daniel, et al. "Structured light for ultrafast laser micro-and nanoprocessing" Optical Engineering 60.2 (2021): 025105. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.

Die Teillaserstrahlen werden über eine Fokussiervorrichtung 4 fokussiert. Hierbei werden Fokuszonen 120 gebildet, deren Lage durch das strahlformende Element, beziehungsweise die erste Zone 31 des strahlformenden Elements 3 festgelegt werden.

Um ein Werkstück 5 zu bearbeiten, wird dieses mit mindestens mit einer Fokuszone 120 zur Überlappung gebracht. Dadurch kann das Werkstück 5 mit der Laserenergie des Lasers 1 lokal beaufschlagt werden. Die Funktionsweise der Bearbeitung wird hierbei weiter unten vorgestellt.

In Figur 1C ist eine Simulation einer Intensitätsverteilung, die mit der Vorrichtung aus Figur 1A erzeugt werden kann, gezeigt. Zusätzlich ist hier exemplarisch der Querschnitt eines quaderförmigen Werkstücks 5 eingezeichnet, welches mit der Fokuszone 120 in Überlappung gebracht wird, um eine Bearbeitung zu ermöglichen.

Durch die Vorrichtung und insbesondere das strahlformende Element 3 kann eine Vielzahl von Gaußförmigen Fokuszonen 120 erzeugt werden. Diese Fokuszonen 120 weisen hierbei unterschiedliche Einbringtiefen auf, entstehen also bei unterschiedlichen z-Koordinaten. Die Fokuszonen 120 sind zudem entlang einer Trennlinie 124 angeordnet. Entlang der Trennlinie 124 werden durch die Beaufschlagung des Werkstücks 5 mit Laserstrahlung Materialmodifikationen erzeugt (nicht gezeigt). Wenn das Werkstück 5 oder der Laserstrahl 10 entlang der x-Achse mit einer Vorschubvorrichtung verschoben werden, dann ergibt sich eine Trennebene in der die Trennlinien 124 liegen. Entlang der Trennebene kann das Werkstück 5 getrennt werden.

Insbesondere liegt die Trennebene unter einem Winkel zur Oberfläche des Quaders. Im Stand der Technik kann so eine angewinkelte Trennebene nur erzeugt werden, wenn der Laserstrahl 10 unter einem Winkel auf die Oberfläche des Werkstücks 5 trifft, was zu großen Aberrationsverlusten führt. Im gegenwärtigen Fall können jedoch über das strahlformende Element 3 eine Vielzahl von Fokuszonen 120 erzeugt werden, wobei die Teillaserstrahlen zur Erzeugung der Fokuszonen 120 jeweils orthogonal zur Oberfläche des Werkstücks 5 stehen. Somit entfallen die Aberrationsverluste und die Effektivität des Trenn prozesses wird gesteigert.

In Figur 1 D ist eine weitere mögliche Intensitätsverteilung gezeigt, die mit der Vorrichtung in Figur 1A erzeugt werden kann. Die Trennlinie 124 die aus der Vielzahl an Fokuszonen 120 zusammengesetzt ist, ist hierbei gekrümmt. Dadurch sind optisch anspruchsvolle Abfasungen des Werkstück 5 möglich.

In Figur 2A ist die Vorrichtung aus Figur 1 A gezeigt, jedoch mit dem Unterschied, dass der Laserstrahl 10 eine zweite Eingangspolarisation aufweist. Insbesondere ist der Laserstrahl 10 nun ein s-polarisierter Laserstrahl 10, so dass der elektrische Feldvektor Ex in die Blattebene hineinragt. Dem Laserstrahl 10 mit der zweiten Eingangspolarisation wird durch die als strahlformendes Element ausgebildete Verzögerungsplatte 2 eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt, die unter anderem auch eine Linsenwirkung aufweist. Beispielsweise können zusätzlich die Indexellipsoide in der x-Komponente unterschiedlich groß sein. Insbesondere kann hierdurch die Phasenfront des auslaufenden Laserstrahls 10 eingestellt werden. Im vorliegenden Fall ist die Phasenfront des Laserstrahls durch die Berücksichtigung der Linsenwirkung so eingestellt, dass im Fernfeld ein sogenannter Fernfeldring 140 entsteht. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass dem Laserstrahl 10 beim Durchgang durch die Verzögerungsplatte eine konische Phasenverzögerung mit Linsenwirkung aufgeprägt wird.

Mit anderen Worten kann durch die Wahl der Eingangspolarisation die Strahlform umgeschaltet werden.

Insbesondere kann ein solcher Fernfeldring 140 die zweite Zone 32 des strahlformenden Elements 3 durchlaufen. Im Querschnitt der Vorrichtung ist deutlich zu erkennen, dass der Laserstrahl 10 nur die zweite Zone 32 des strahlformenden Elements 2 ungehindert durchläuft. Insbesondere kann diese zweite Zone 32 eine neutrale Zone sein, in der der Laserstrahl 10 nicht abgelenkt oder beeinflusst wird. Der Laserstrahl 10 wird anschließend durch die Fokussiervorrichtung 4 fokussiert, so dass der Laserstrahl 10 in eine elongierte Fokuszone 122 überführt wird. Die Fokuszone 122 ist hierbei in Strahlausbreitungsrichtung (also z-Richtung) elongiert.

In Figur 2B ist eine Intensitätsverteilung gezeigt, die mit der Vorrichtung aus Figur 2A erzeugt werden kann. Im Unterschied zu den Figuren 1C und 1 D wird hier lediglich eine durchgehende, elongierte Fokuszone 122 erzeugt. Die Länge der elongierten Fokuszone 122 übersteigt hier die Dicke des Werkstücks 5 deutlich, so dass das Werkstück 5 über die gesamte Dicke bearbeitet werden kann.

Die diskutierten Fälle der Figuren 1 und 2 sind Spezialfälle, in denen die Polarisation des Laserstrahls 10 einer durch die Verzögerungsplatte 2 spezifizierten Polarisationsrichtungen entspricht. Mit anderen Worten fällt hier die Polarisation mit einer Basispolarisationskomponente der Verzögerungsplatte 2 zusammen.

Der allgemeine Fall ist in Figur 3A gezeigt. Im Allgemeinen ist die Polarisation des Laserstrahls 10 eine Superposition von zwei Basispolarisationen, beispielsweise von s- und p-Polarisationen. Wenn in dem Laserstrahl 10 beide Polarisationskomponenten vorliegen, dann werden durch die Verzögerungsplatte 2 der ersten Polarisationskomponente eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt und der zweiten Polarisationskomponente eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt.

Anschließend propagiert ein Teil des Laserstrahls 10 mit einer konstanten Phasenverzögerung zur ersten Zone 31 des strahlformenden Elements 3, während der Teil mit der konischen Phasenverzögerung zur zweiten Zone 32 des strahlformenden Elements 3 propagiert.

Dementsprechend kann der Teillaserstrahl der die erste Zone 31 durchläuft vervielfältigt werden. Insbesondere kann somit nach der Fokussiervorrichtung 4 eine Vielzahl von Gaußförmigen Fokuszonen 120 erzeugt werden, die entlang einer Trennlinie 124 angeordnet werden können.

Der Teillaserstrahl mit der konischen Phasenverzögerung tritt beispielsweise ungehindert durch die zweite Zone 32 des strahlformenden Elements 3 und wird anschließend durch die Fokussiervorrichtung 4 in eine elongierte Fokuszone 122 eingebracht.

In den Figuren 3B und 3C sind entsprechende Simulationen der entstehenden Intensitätsverteilungen gezeigt. Hierbei sind die Gaußförmigen Fokuszonen 120 entlang der Trennlinie 124 ausgerichtet, während die elongierte Fokuszone 122 die Trennlinie 124‘ definiert. Die Trennlinien 124, 124‘ haben einen gemeinsamen Schnittpunkt 126. In Figur 3D ist eine dreidimensionale Darstellung der Trennlinien 124, 124‘ gezeigt. Die Trennlinie 124 der Gaußförmigen Fokuszonen 120 liegen hierbei in der x-z-Ebene. Durch den Vorschub V entlang der y-Achse werden die entsprechenden Trennlinien 124 parallel zueinander in dem Werkstück 5 platziert. Somit definieren die Trennlinien 124 die Trennebene. Gleiches gilt für die Trennlinien 124‘ die durch die elongierten Fokuszonen 124‘ erzeugt werden.

Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die Trennlinien 124, 124‘ nicht wie in Figuren 3B, 3C gezeigt in der x-z-Ebene überlappen müssen, beziehungsweise einen Schnittpunkt 126 aufweisen müssen. Es genügt, wenn sich die Trennebenen schneiden. Insbesondere können also die Gaußförmigen Fokuszonen 120 und die elongierte Fokuszone 122 unterschiedliche y-Koordinaten aufweisen. Dies ist in Figur 3D durch die unterschiedliche Platzierung der Trennlinien 124, 124‘ angedeutet.

Typischerweise unterscheiden sich die Intensitäten in den Gaußförmigen Fokuszonen 120 und der elongierten Fokuszone 122. Dies liegt zum einen darin begründet, dass der Laserstrahl 10 in den Gaußförmigen Fokuszonen 120 auf einen deutlich kleineren räumlichen Bereich konzentriert wird, während bei den elongierten Fokuszonen 122 die Energie des Laserstrahls auf einen großen Bereich verteilt wird. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, wenn ein Polarisator 6 in dem Strahlengang angeordnet ist, so dass die Intensität in den Gaußförmigen Fokuszonen 120 und der elongierten Fokuszone 122 eingestellt werden kann.

In Figur 3E bis 3H sind verschiedene Beispiele für mögliche Abfasungen gezeigt, die durch die oben vorgestellten Intensitätsverteilungen in einem Bearbeitungsdurchgang erzeugt werden können. In Figur 3E wird eine runde Abfasung oder C-Fase erzeugt, beispielsweise indem das Werkstück 5 in dem Intensitätsprofil der Figur 1 D symmetrisch angeordnet wird. In Figur 3E wird analog eine gekappte C-Fase erzeugt, wobei durch die zusätzliche elongierte Fokuszone des Laserstrahls 10 der vordere Teil der C-Fase weggenommen wird. Die zugehörige Intensitätsverteilung ist in Figur 3C gezeigt. In Figur 3G ist eine V-Fase gezeigt, die erzeugt werden kann, wenn das Werkstück 5 symmetrisch in dem Intensitätsprofil der Figur 1C angeordnet wird. In Figur 3H ist analog eine gekappte V-Fase gezeigt, die erzeugt wird, indem durch die elongierte Fokuszone des Laserstrahls 10 der vordere Teil der V-Fase weggenommen wird. Die zugehörige Intensitätsverteilung ist in Figur 3B gezeigt. Insbesondere muss das Werkstück 5 nicht symmetrisch in der Intensitätsverteilung angeordnet werden. Vielmehr kann durch eine asymmetrische Anordnung auch lediglich eine einseitige Fase erzeugt werden, wie in Figur 1C und 1 D angedeutet ist. Durch eine Konfiguration der Verzögerungsplatte 2 im Herstellungsprozess ist es hierbei insbesondere möglich den Öffnungswinkel der V-Fase oder die Krümmung der C-Fase einzustellen.

In Figur 4A ist der Laserstrahl 10 des Lasers 1 beispielsweise zirkular polarisiert, weist also s- polarisierte und p-polarisierte Komponenten gleichermaßen auf. Durch einen Polarisationsfilter 6 kann hierbei eine Polarisationskomponente aus dem Laserstrahl 10 gefiltert werden. Je nach Einstellung des Polarisationsfilters 6 kann die s-Komponente oder die p-Komponente abgeschwächt werden. Wenn beispielsweise die erste Polarisationskomponente abgeschwächt wird, so ist auch der Laserstrahl 10 mit der ersten ortsabhängigen Phasenverzögerung insgesamt abgeschwächt. Dementsprechend würde auch die Intensität in den Gaußförmigen Fokuszonen 120 abgeschwächt werden, während die Intensität in der elongierten Fokuszone 122 gleichbleibt.

In Figur 4B ist der Fall gezeigt, dass der Laser 1 einen linear polarisierten Laserstrahl 10 abgibt. Durch eine entsprechende Wellenplatte kann aus dem linear polarisierten Licht elliptisch polarisiertes Licht erzeugt werden. Insbesondere kann durch Einstellen der Wellenplatte 6 die Mischung der Polarisationskomponenten eingestellt werden. Dementsprechend kann auch die Intensität der in den Gaußförmigen Fokuszonen 120 und der elongierten Fokuszone 122 eingestellt werden.

In einem weiteren Anwendungsbeispiel können die verschiedenen Strahlformen und Fokuszonen nicht nur zum Trennen und Abfasen verwendet werden, sondern zum Einbringen von Materialmodifikationen und einem anschließenden Trennschritt durch Aufbringen eines thermischen Gradienten.

In Figur 5A ist gezeigt wie ein Laserstrahl 10 Materialmodifikationen 6 in das Werkstück 5 einbringt. Die Materialmodifikationen 6, die der Laserstrahl 10 erzeugt, können eine unterschiedliche Form aufweisen, die im Wesentlichen der Form der Fokuszonen 120, 122 entspricht. Insbesondere können elongierte Materialmodifikationen 6 durch die elongierte Fokuszone 122 des Laserstrahls 10 erzeugt werden. Die Materialmodifikationen 6 können etwa durch die gesamte Dicke des Werkstücks 5 ragen, es ist aber auch möglich, dass Materialmodifikationen 6 lediglich an der oberen Oberfläche oder der unteren Oberfläche des Werkstücks 5 erzeugt werde. Beispielsweise kann die elongierte Materialmodifikation 6 auch in dem Werkstück 5 liegen, so dass keine Oberfläche mit der Materialmodifikationen 6 Kontakt hat. Durch eine Vielzahl an Materialmodifikationen 6 kann eine Perforierung des Werkstücks 6 vorgenommen werden, entlang derer das Werkstück 6 beispielsweise getrennt werden kann. Das Trennen kann hierbei über das Aufbringen eines thermischen Gradienten realisiert werden, wie nachfolgend gezeigt. In Figur 5B ist die Vorrichtung zum Einbringen der Materialmodifikationen 6 gezeigt. Im Unterschied zu den vorher diskutierten Ausführungsformen kann bei dieser Ausführungsform auf ein strahlformendes Element 3 verzichtet werden. Beispielsweise können hier die Materialmodifikationen 6 mit einem Laserstrahl 10 mit einer zweiten Polarisation vorgenommen werden, so dass die Verzögerungsplatte 2 eine Phasenfront erzeugt, die auch hier einen konischen Anteil und einen linsenartigen Anteil aufweist. Durch die Fokussiervorrichtung 4 kann der Laserstrahl 10 dann in eine elongierte Fokuszone 122 eingebracht werden. Die elongierte Fokuszone 122 liegt hierbei beispielsweise im Volumen des Werkstücks 5.

Nachdem die Materialmodifikationen 6 eingebracht sind, kann ein thermischer Gradient über den Materialmodifikationen 6 erzeugt werden, wie in Figur 5C gezeigt ist. Hierfür kann der Laserstrahl 10 mit einer ersten Polarisation die Verzögerungsplatte 2 durchdringen, so dass dem Laserstrahl 10 eine konstante Phasenverzögerung aufgeprägt wird. Die konstante Phasenverzögerung wird von der Fokussiervorrichtung schließlich in eine Gaußförmige Fokuszone 120 übersetzt.

Die Fokuszone 120 kann zur Erzeugung des thermischen Gradienten wenige Mikrometer unter der Oberfläche platziert werden, so dass die Spaltung des Werkstücks schädigungsarm verläuft und eine glatte Bruchkante entsteht.

Beispielsweise ist in Figur 5A entsprechend gezeigt, dass die Temperatur T an der oberen Oberfläche des Werkstücks größer ist, als an der unteren Oberfläche. Dadurch gibt es ein Temperaturgefälle zwischen den beiden Oberflächen und somit einen thermischen Gradienten. Durch die thermische Ausdehnung, die in erster Näherung linear in der Temperatur ist, dehnt sich das Werkstück 5 an der oberen Oberfläche stärker aus, als an der unteren Oberfläche. Dadurch kommt es zu unterschiedlich starken Materialspannungen in Strahlausbreitungsrichtung.

Die verschiedenen Materialspannungen laufen in der Figur 5A durch die eingebrachten Materialmodifikationen 6. Dort können die Materialspannungen vorzugsweise relaxieren, was zur einer Rissbildung führt. Die Rissbildung findet hier vorteilhafterweise zwischen den verschiedenen benachbarten Materialmodifikationen 6 statt, so dass durch die induzierte Rissbildung das Werkstück 5 entlang der Trennebene in zwei Teile 50, 52 getrennt wird.

In Figur 6A ist der Trennungsprozess in der x-y-Ebene gezeigt. Auch hier werden die Materialmodifikationen 6 entlang der Trennlinie 124 in das Werkstück 5 eingebracht. In der Figur 6A sind die Materialmodifikationen 6 rund ausgebildet, die können jedoch auch beispielsweise einen elliptischen Querschnitt aufweisen, so dass sie eine lange Achse aufweisen, die bevorzugt tangential zur Trennlinie steht, wie in Figur 6B gezeigt. Da die Materialmodifikationen 6 nebeneinander entlang der Trennlinie 124 platziert sind, beziehungsweise das Werkstück 5 entlang der Trennlinie 124 perforiert ist, breitet sich der Riss beim Aufbringen des thermischen Gradienten von Materialmodifikation 6 zu Materialmodifikation 6 aus, so dass der Riss weitestgehend der Trennlinie 124 folgt. In Figur 6C ist gezeigt, dass das Werkstück 5 durch das Aufbringen eines thermischen Gradienten in eine erste Hälfte 50 und eine zweite Hälfte 52 getrennt werden kann. Entlang der ursprünglichen Trennlinie 124 entsteht nun die Bruchkante, die mit dem gegebenen Verfahren eine sehr hohe Qualität, insbesondere eine geringe Rauigkeit auf.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

1 Laser

10 Laserstrahl

100 Phasenfront

120 Fokuszone

122 elongierte Fokuszone

124 Trennlinie

140 Fernfeld ring

2 Verzögerungsplatte

20 Nanogitter

200 Doppelbrechende Struktur

3 strahlformendes Element

31 erste Zone

32 zweite Zone

4 Fokussiervorrichtung

5 Werkstück

50 erste Hälfte

52 zweite Hälfte

6 Materialmodifikation

Claims

Ansprüche

1 . Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (5) mittels eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), umfassend eine Verzögerungsplatte (2) und eine Fokussiervorrichtung (4), wobei die Verzögerungsplatte (2) dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (10) mit einer ersten Eingangspolarisation eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufzuprägen und dem Laserstrahl (10) mit einer zweiten Eingangspolarisation eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufzuprägen, die Fokussiervorrichtung (4) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in mindestens eine Fokuszone (120, 122) zu fokussieren, wobei die Strahlform des Laserstrahls (10) in der Fokuszone (120, 122) durch die ortsabhängige Phasenverzögerung bestimmt ist, und mindestens eine Fokuszone (120, 122) mindestens teilweise mit dem Werkstück (5) überlappt und das Werkstück (5) mit der Laserstrahlung in der mindestens eine Fokuszone (120, 122) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste ortsabhängige Phasenverzögerung konisch und linsenartig ist und/oder die zweite ortsabhängige Phasenverzögerung konstant ist, und der Laserstrahl (10) mit der konstanten Phasenverzögerung in der Fokuszone (120) eine Gauß-förmige Strahlform aufweist und/oder der Laserstrahl (10) mit der konischen Phasenverzögerung in der Fokuszone (122) eine nicht-beugende Strahlform aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsplatte (2) eine ortsabhängige Doppelbrechungsstruktur aufweist, wobei die Verzögerungsplatte durch die lokale Polarisationsprojektion der Eingangspolarisation des Laserstrahls auf die ortsabhängige Doppelbrechungsstruktur (200) der Verzögerungsplatte die ortsabhängige Phasenverzögerung bereitstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Doppelbrechungsstruktur (200) ein Nanogitter (20) ist, wobei bevorzugt das Nanogitter (20) in einem transparenten Trägermaterial als Typ-2 Modifikation bereitgestellt ist, wobei besonders bevorzugt das Trägermaterial Quarzglas ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Polarisatorelement (6), das dazu eingerichtet ist, die Polarisation des Laserstrahls (10) einzustellen, wobei das Polarisatorelement (10) nach der Fokussiervorrichtung (4), bevorzugt vor der Fokussiervorrichtung (4), besonders bevorzugt vor der Verzögerungsplatte (2) angeordnet wird. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein strahlformendes Element (3), das dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) zu formen und/oder zu vervielfältigen, wobei das strahlformende Element (6) in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Verzögerungsplatte (2) angeordnet ist, wobei das strahlformende Element (3) mindestens zwei Zonen (31 , 32) aufweist, wobei die erste Zone (31) dazu eingerichtet ist eine erste Strahlvervielfältigung und/oder Strahlformung vorzunehmen und somit einen ersten Strahlteil bereitzustellen und wobei die zweite Zone (32) dazu eingerichtet ist eine zweite Strahlvervielfältigung und/oder Strahlformung vorzunehmen und somit einen zweiten Strahlteil bereitzustellen. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die erste Zone (31) des strahlformenden Elements (3) eine Strahlvervielfältigung des einfallenden Laserstrahls (10) vorgenommen wird, wobei die Fokuszonen (120, 122) durch die erste Zone des strahlformenden Elements in drei Raumdimensionen angeordnet werden können, insbesondere entlang einer Trennlinie (124) angeordnet werden können, wobei bevorzugt die erste Zone (31) des strahlformenden Elements (3) ein 3D-Strahlteiler ist. Vorrichtung nach einem der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlformende Element (3) ein diffraktives optisches Element ist, wobei bevorzugt das strahlformende Element (3) eine geätzte Mikrostruktur ist, wobei besonders bevorzugt das strahlformende Element (3) aus Fused Silica besteht oder dieses umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zone (31) des strahlformenden Elements (3) den Laserstrahl (10) mit einer konstanten Phasenverzögerung empfängt und nach der Fokussiervorrichtung (4) eine Vielzahl von Gaußförmigen Fokuszonen (120) bereitstellt, die auf einer Trennlinie (120) angeordnet sind, wobei bevorzugt die Bearbeitung darin besteht, dass das Werkstück (5) entlang der Trennlinie (124) abgefast wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone (32) des strahlformenden Elements (3) den Laserstrahl (10) mit der konischen Phasenverzögerung empfängt und nach der Fokussiervorrichtung (4) eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (122) bereitstellt, wobei bevorzugt die Bearbeitung darin besteht, dass das Werkstück (5) entlang der in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone (122) getrennt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinie (124) und der Vorschub (V) eine erste Trennebene definieren und die elongierte Fokuszone (122) und der Vorschub (V) eine zweite Trennebene definieren, wobei sich die erste Trennebene und die zweite Trennebene schneiden, wodurch das Werkstück (5) gleichzeitig entlang der in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone (122) getrennt wird und entlang der Trennlinie (124) abgefast wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zone (31) eine zentrale Zone ist und die zweite Zone (32) eine neutrale Außenzone ist.

13. Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (5) mittels eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), wobei dem Laserstrahl (10) mit einer ersten Eingangspolarisation von einer Verzögerungsplatte (2) eine erste ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt wird, und dem Laserstrahl (10) mit einer zweiten Eingangspolarisation von der Verzögerungsplatte (2) eine zweite ortsabhängige Phasenverzögerung aufgeprägt wird, wobei der Laserstrahl (10) mit einer Fokussiervorrichtung (4) in mindestens eine Fokuszone (120, 122) fokussiert wird, wobei die Strahlform des Laserstrahls (10) in der Fokuszone (120, 122) durch die ortsabhängige Phasenverzögerung bestimmt ist, wobei mindestens eine Fokuszone (120, 122) mindestens teilweise mit dem Werkstück (5) überlappt und das Material des Werkstücks (5) mit der Laserstrahlung in der mindestens eine Fokuszone (120, 122) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ortsabhängige Phasenverzögerung konisch und linsenartig ist und/oder die zweite ortsabhängige Phasenverzögerung konstant ist und der Laserstrahl (10) mit der konstanten Phasenverzögerung durch die Fokussiervorrichtung (4) in eine Gaußförmige Fokuszone (120) abgebildet wird und/oder der Laserstrahl (10) mit der konischen Phasenverzögerung in eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (122) abgebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mit einer ersten Eingangspolarisation ein Laserstrahl (10) mit einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone (122) erzeugt wird, wobei die Strahlausbreitungsrichtung senkrecht zur Materialoberfläche orientiert ist, und durch die Beaufschlagung des Werkstücks (5) Materialmodifikationen (7) in das Werkstück eingebracht werden, und in einem zweiten Schritt mit einer zweiten Eingangspolarisation mindestens eine Gaußförmige Fokuszone (120) erzeugt wird, die mit mindestens einer Materialmodifikation (7) überlappt, und das Werkstück (5) durch die thermische Beaufschlagung in der Fokuszone (120) entlang der Materialmodifikationen (7) getrennt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein strahlformendes Element (3), den Laserstrahl (10) mit der konstanten Phasenverzögerung in eine Vielzahl von Gaußförmigen Fokuszonen (120) überführt, wobei die Fokuszonen (120) in drei Raumdimensionen angeordnet sind, insbesondere entlang einer Trennlinie angeordnet sind, die unter einem Winkel mit der Strahlausbreitungsrichtung steht, wodurch das Werkstück (5) abgefast wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) mit der konischen Phasenverzögerung in eine elongierte Fokuszone (122) überführt wird, wodurch das Werkstück (5) getrennt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (10) mit gemischter Polarisation das Werkstück (5) gleichzeitig abfasen und trennen, wobei durch ein Einstellen der Polarisation des Laserstrahls (10) die relative Leistung der verschiedenen Strahlteile eingestellt wird.