KR102478808B1 - 펄스 다색 레이저 빔 및 필터를 사용하여 소정의 가공 라인을 따라 공작물을 가공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 가공 라인(3)을 따라 공작물(2)을 가공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 적어도 이하의 수단을 포함한다: 펄스 다색 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 수단, 레이저 빔(5)의 빔 방향을 따라 초점 라인을 생성하기 위한 광학 장치(6)로서, 레이저 빔(5)의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차 및 레이저 빔(5)의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터(7)를 갖는 광학 장치(6), 및 집속된 레이저 빔(5)의 효과에 의해 공작물(2)을 가공하기 위해, 소정의 가공 라인(3)을 따라 레이저 빔(5)과 공작물(2) 사이에 상대 이동을 발생시키기 위한 수단.

Description

펄스 다색 레이저 빔 및 필터를 사용하여 소정의 가공 라인을 따라 공작물을 가공하기 위한 장치 및 방법

본 발명은 소정의 가공 라인을 따라 공작물, 특히 유리 또는 유리 세라믹을 포함하는 공작물을 가공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

펄스 레이저 빔을 사용하여 소정의 가공 라인을 따라, 특히 유리 또는 유리 세라믹으로 제조된 가공물을, 특히 분리하기 위한 또는 필라멘트화하고 후속적으로 분리하기 위한 장치 및 방법이 수년 동안 공지되어 왔다.

레이저 빔의 전자기장과 공작물 사이의 비선형 상호작용을 위해 충분히 높은 강도의 레이저 빔에 의한 Kerr 효과를 이용함으로써, 레이저 빔의 자가 포커싱이 일어나는데, 이 때 가우스 빔의 직경보다 현저히 작은 초점 직경이 얻어진다. 초점의 강도가 높기 때문에, 레이저 빔에 대한 디포커싱 효과를 갖는 플라즈마가 공작물에 생성된다. 나머지 레이저 빔의 강도가 충분히 높으면, 레이저 빔이 다시 포커싱되거나 한다. 상호 평형에서 레이저 빔의 비선형 포커싱 및 플라즈마-유도 디 포커싱의 반복된 사용으로 인해, 필라멘트로도 지칭되는 유사 "도파"의 형성이 일어난다. 레이저 빔에 대해 실질적으로 투명한 공작물에서, 이러한 방식으로 안내되는 레이저 빔은 그 경로를 따라 공작물에 변형 효과를 미쳐 공작물에 필라멘트형 변형을 형성시키는데, 이는 적절한 공정 관리(예컨데 레이저원의 버스트 모드)에 의해 서브마이크로미터 범위의 직경을 갖는 마이크로채널의 형태로 구성될 수 있다(US 2013/0126573 A1호).

대안으로서, 필라멘트의 발달에 있어서, 종종 초점 라인으로도 지칭되는 레이저 빔 축(빔 방향)을 따라 연장되는 초점을 형성할 수 있게 하는 특수한 광학 장치를 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 이를 위해, 예컨대, 구면 수차가 큰 소위 액시콘 또는 렌즈가 사용되는데(EP 2 754 524 A1호), 이는 레이저 빔 축으로부터 광학 장치 뒤의 전파 방향(빔 방향)의 영역을 따라 상이한 초점 지점까지의 거리의 함수로서 레이저 빔 성분을 이미징하는 특별한 특성을 갖는다. 따라서, 상기 레이저 빔의 축에 존재하는 초점 라인이 형성되며, 그 길이는 설정되는 기능적 종속성에 의해 예측될 수 있다. 광학 레이저 빔 축에 대해 횡방향으로의 강도 분포는 이 경우 베셀 함수의 수학에 의해 설명되며; 소위 베셀 빔이 레이저 빔 축을 따라 형성된다. 이 방법의 장점은, 필라멘트가 자가-포커싱 및 플라즈마 디포커싱의 설정이 복잡한 평형에 의해 조정될 필요가 없고, 오히려 레이저 빔의 에너지가 모든 측에서 연속적으로 레이저 빔 축의 방향으로 전달되어 광학 레이저 빔 축을 따라 중첩 영역에 "연속적인" 강도 분포가 형성되고 이 분포의 특정 프로파일이 원래의 레이저 빔의 강도 분포에 의해 결정적인 영향을 받는다는 것이다. 가우스 빔 또는 이상적인 톱-해트(top-hat) 프로파일(즉, 부분적으로 일정한 함수, 그 함수 값은 (일반적으로 가파른) 연속 전이에 의해 그 부분의 가장자리에서 도달됨)을 사용할 때의 일반적인 강도 프로파일의 예가 CN 102785031 A호에 개시되어 있다.

레이저 빔의 원래 전파를 따라 공작물에 도입될 수 있는 강도의 분포는 필라멘트의 길이에 결정적인 영향을 미친다.

버스트 모드를 사용하는 경우, 공작물의 재료의 변형을 넘는 레이저 빔의 일시적인 열 효과가 유도될 수 있는 위치에서 고주파수로 도입된 레이저 펄스의 반복의 누적 효과에 의해, 마이크로채널의 형태에 지속적인 손상이 유도되는데: 상세하게는, 버스트 펄스 트레인의 제1 펄스에 의해 마이크로채널이 생성되고, 마이크로채널 주위의 손상 구역의 크기는 재료 매개변수 뿐만 아니라 버스트의 후속 펄스에 의해 조절된다.

공작물이 필라멘테이션 동안 소정의 가공 라인(예컨대 x-y 좌표 또는 가공물의 표면을 따른 좌표, 설정점 윤곽)을 따라 이동하는 경우, 이는 소정의 거리에서 서로 옆에 생성되는 마이크로채널에 의해 유사-천공된다. 후속 분리 공정, 예컨대 CO₂ 레이저를 이용한 열 충격의 생성(절단)에 의해, 마이크로채널이 균열에 의해 서로 연결될 수 있고 공작물은 가공 라인을 따라 분리될 수 있다(US 2015/165560 A호). 이러한 방식으로 생성된 파단 표면의 장점은 낮은 거칠기, 탁월한 기하학적 정확성 및 생성된 공작물 에지의 강도이다.

초점 라인의 길이보다 큰 두께를 갖는 공작물의 경우, 상기 방법은 예컨대 4 mm 내지 16 mm의 두께를 갖는 비교적 두꺼운 공작물에 대해서도 상이한 재료 깊이까지 연속적인 편차에 의해 적용될 수 있다.

개시된 방법의 단점은 레이저원과 관련하여 "이상적"인 가우스 빔을 베셀 빔으로 변환하는 것이 초점 라인에서 불균일한 강도 분포를 초래하고, 따라서 가공하고자 하는 공작물의 파단면의 불균일성을 초래한다는 것이다. 이상적인 가우스 빔(M² > 1)으로부터의 편차는 상황을 더 악화시킨다. 생성되는 필라멘트의 관점에서 이상적인 톱-해트 프로파일은 생성될 수는 있으나 곤란하다.

펄스 레이저 빔에 의해 공작물을 가공하기 위한 추가의 장치 또는 방법은 이하의 문헌에 개시되어 있다: DE 10 2012 110 971 A1호, DE 10 2015 110 422 A1호, DE 10 2015 116 848 A1호, DE 10 2015 111 491 A1호, DE 10 2015 116 846 A1호, DE 10 2015 111 490 A1호, DE 10 2015 120 950 A1호, DE 10 2016 102 768 A1호, DE 10 2017 100 015.1호, DE 10 2017 206 461.7호, DE 10 2017 100 755.5호, DE 10 2017 103 381.5호, EP 2 754 524 A1호, US 2005/0024743 A1호, KR 101 407994 B1호.

또한, 펄스 다색 레이저 빔을 사용하여 소정의 가공 라인을 따라 유리 또는 유리 세라믹으로 제조된 공작물을 가공하는, 특히 분리하거나 또는 필라멘트화하고 후속적으로 분리하기 위한 이하의 장치 및 방법이 공지되어 있다:

US 2012/0255935 A1호는 펄스 다색 레이저 빔에 의해 공작물을 가공하는 방법을 개시한다. 렌즈에 의해, 초점 라인이 레이저 빔의 빔 방향을 따라 생성되며, 초점 라인은 복수의 초점으로 이루어진다.

US 2016/167166 A1호는 초점 거리를 조절할 수 있는 레이저 빔을 사용한 재료 가공을 개시한다.

JP 2010-158686 A호는 선형 초점을 생성하는 것에 의해 다중스펙트럼 에너지원을 사용한 재료 가공을 개시한다.

WO 2016/077171 A2호는 복수의 레이저원의 빔을 공통 빔 유도 시스템 내로 공통 공선 스레딩하는 것 및 공작물의 상이한 재료 깊이에서 파장-의존 포커싱에 의해 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하는 것을 개시한다.

US 2005/0205536 A1호는 조절된 파장 분포 패턴을 갖는 집속된 레이저 빔에 의해 재료를 구조화하는 방법 및 장치를 개시한다.

EP 2 250 529 B1호는 광학 초연속 방사선원을 개시한다.

라미네이트의 레이저 가공은 문헌 US 2016/0009066 A1호에 개시되어 있다.

공지된 장치 및 방법에서, 공작물에서의 가공 깊이는 선택적으로 조절될 수 없거나 또는 매우 힘들고 부정확하게만 선택적으로 조절될 수 있다. 이러한 방식으로 가공된 공작물은 외부 작용에 의해, 특히 기계적 또는 열적 작용에 의해 매우 부정확하거나 부정확한 분리 에지를 갖고서만 분리될 수 있거나 또는 때때로 심지어는 가공 라인을 따라 분리될 수 없다.

본 발명의 목적은 펄스 다색 레이저 빔에 의해 소정의 가공 라인을 따라 공작물을 가공하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 장치 및 방법은, 특히, 유리 또는 유리 세라믹으로 제조된 공작물, 또는 유리 또는 유리 세라믹을 포함하는 공작물, 예컨대 유리 또는 유리 세라믹 시트의 스택, 상이한 화학 조성의 유리 및 유리 세라믹의 스택, 유리-플라스틱 라미네이트의 가공에 적합하도록 의도된다. 특히, 가공된 공작물은 소정의 가공 라인을 따라 외부 작용에 의해, 특히 기계적 또는 열적 작용에 의해 용이하고 정확하고 재현가능하게 분리될 수 있도록 의도된다.

상기 과제는, 제1항에 따르면,

- 펄스 다색 레이저 빔을 생성하기 위한 수단,

- 레이저 빔의 빔 방향을 따라 초점 라인을 생성하기 위한 광학 장치로서, 레이저 빔의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차 및 레이저 빔의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터를 갖는 광학 장치,

- 집속된 레이저 빔의 작용에 의해 공작물을 가공하기 위해, 소정의 가공 라인을 따라 레이저 빔과 공작물 사이의 상대적 이동을 발생시키기 위한 수단

을 적어도 포함하는, 소정의 가공 라인을 따라 공작물을 가공하기 위한 장치에 의해 해결된다.

따라서, 소정의 가공 라인을 따라 공작물을 가공하기 위한 본 장치는 이하의 수단을 포함한다:

- 펄스 다색 레이저 빔을 생성하기 위한 수단,

- a) 레이저 빔의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차, 및

b) 레이저 빔의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터

를 갖는, 레이저 빔의 빔 방향을 따라 초점 라인을 생성하기 위한 광학 장치,

- 레이저 빔의 초점 라인(레이저 빔 초점 라인)의 작용에 의해 공작물을 가공하기 위해, 소정의 가공 라인을 따라 레이저 빔과 공작물 사이의 상대적 이동을 발생시키기 위한 수단.

본 발명자들은 본 발명에 따른 장치에 의해 공작물에서의 가공 깊이가 선택적으로 정확하게 조절될 수 있음을 보여줄 수 있었다. 본 장치는, 특히, 유리 또는 유리 세라믹으로 제조된 공작물 또는 유리 또는 유리 세라믹을 포함하는 공작물, 예컨대 유리 또는 유리 세라믹 시트의 스택, 다른 화학 조성의 유리 및 유리 세라믹의 스택, 유리-플라스틱 라미네이트의 가공에 매우 적합하다.

레이저 빔의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차를 가지며 레이저 빔의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터를 갖는 광학 장치에 의해, 특히 특정 펄스 지속시간 및 레이저 빔의 특정 파장을 갖는 펄스 다색 레이저 빔을 이용하여, 공작물의 빔 방향을 따라 초점 라인을 생성할 수 있으며, 이에 의해 공작물의 가공 깊이가 선택적이고 정확하게 조절될 수 있다. 특히, 초점 라인의 길이는 상이한 초점을 생성함으로써 조절될 수 있다.

필터에 의해, 레이저 빔의 적어도 하나의 파장이 선택적으로 필터링될 수 있어서, 적어도 초점 라인의 특정 위치에서 선택적으로 초점이 형성되지 않는다. 특히, 광학 스펙트럼의 일축 또는 양축 제한(대역 에지 필터 또는 대역 통과 필터의 도입)에 의해, 초점 라인의 시작점 또는 종료점을 정하는 것이 가능하다. 별도의 실시양태에서, 특히 (레이저 반대쪽에서) 종료점은 예컨대 공작물이 안착되는 지지체의 가공이 회피되도록 정해진 방식으로 조절된다.

추가의 실시양태에서는, 공작물, 특히 유리-금속 라미네이트가 금속의 변형 또는 절제 없이 유리면으로부터 가공된다. 추가의 실시양태에서는, 초점 라인을 따라 생성된 마이크로채널이 금속층 상으로의 직접 스루-접촉을 위해 사용되며, 이 금속층은 공정 순서에 따라 스루-접촉 이전 또는 이후에 구조화될 수 있다. 마이크로채널의 전형적인 직경은 바람직하게는 1 μm 미만, 특히 바람직하게는 500 nm 미만, 더 특히 바람직하게는 300 nm 미만이다.

광학 장치에 의해, 필라멘트는 입사광 빔의 베셀형 빔으로의 다색 유도 변환에 의해 변환될 수 있다. DE 103 25 942 A1호 및 DE 10 2008 029 459 A1호는, 파장에 따라 색수차를 순서대로 의도적으로 증가시켜 초점 라인의 영역에 걸쳐 빔 성분의 포커싱을 유도함으로써 형성되는 특수 광학 제품 또는 렌즈를 제공한다. 이들 시스템의 초점은 30 cm 까지의 범위에 걸쳐 확장될 수 있다. 이들 시스템은 고정밀 거리 및 윤곽 측정 분야에서, 또는 투명체의 경우, (복수의 거리 측정의 차로서) 단층 또는 다층 기판의 두께 측정을 위해 사용된다. 원칙적으로, 이들 광학 제품 또는 렌즈는 또한 본 발명에 대한 색수차를 갖는 광학 장치로서 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치에서, 펄스 다색 레이저 빔은 초점 라인을 따라 대응하는 강도 분포로 파장 선택적으로 이미징 광학 제품(광학 장치)의 색수차에 의해 변환될 수 있다. 레이저원의 스펙트럼 에너지 분포와 필터(필터 기능)를 결합함으로써, 작업 부피의 강도 분포가 초점 라인을 따라 정확하게 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 특히 유리한 실시양태를 후술할 것이다.

펄스 다색 레이저 빔을 생성하기 위한 수단은 바람직하게는 하나 이상의 초 연속 섬유 레이저를 포함하거나, 또는 레이저 펄스의 스펙트럼 확장 수단, 특히 처프 펄스를 증폭시키기 위한 수단(처프 펄스 증폭)을 포함한다.

처프 펄스를 증폭시키는 경우, 레이저 펄스는 격자에 의해 파장을 따라 공간적으로 확산된 다음 증폭된다. 격자 이전의 박막 트랜지스터 디스플레이(TFT 디스플레이)는 (에너지 손실로) 개별 파장 범위를 급격하게 차단할 수 있다. 이러한 방식으로, 초점 라인의 개별 구역이 레이저 빔 방향으로 차단(필터링)될 수 있다. 쉐도잉 후 증폭 동안, 증폭 전력이 나머지 파장 범위에 인가될 수 있어서, 레이저 빔의 출력은 시더(seeder)의 경우에 원래 쉐도잉된 것보다 비례적으로 감소된다. 주입 시딩(injection seeding)은 일반적으로 더 좁은 광 대역폭(라인 폭)을 달성하려는 주된 목적으로 펄스 레이저 및 광 파라메트릭 발진기에 적용되는 기술이다. 이것은 본질적으로 연속파 조작에서 통상 단일 주파수인 시드 레이저로부터의 광이 펄스 빌드업 단계의 개시에서 Q-변환 슬레이브 레이저로 또는 나노초 광학 파라메트릭 발진기로 공급됨을 의미한다. 이 시드 레이저가 없으면, 슬레이브 레이저 또는 OPO는 통상적으로 유사한 크기의 광학 증폭으로 다수의 공명기 모멘트에서 방출될 것이며, 복수 모드의 경우 전력 분포가 펄스마다 변동될 수 있다. 시드 레이저광의 광학 주파수가 슬레이브 장치의 특정 공명기 모드의 공진 주파수에 충분히 근접하면, 이 모드는 매우 높은 전력보다 훨씬 더 높은 전력으로 개시될 수 있고, 따라서 출력 펄스에서 크게 두드러질 수 있다. 이러한 방식으로, 방해받지 않는 (자유로운) 방출에 비해 방출 대역폭이 크게 감소되고, 모드 충돌이 회피되므로 시간 펄스 프로파일이 더 매끄러워질 수 있다.

펄스 다색 레이저 빔을 생성하기 위한 수단은 바람직하게는 적어도 이하를 제공한다:

- 평균 레이저 출력: 5∼120 와트;

- 레이저 빔의 펄스 지속시간: 1 ns 미만, 바람직하게는 1 ps 미만;

- 버스트 모드: 12∼48 ns;

- 레이저 빔의 파장 범위: 350 nm 내지 2400 nm.

일 실시양태에서, 레이저원(펄스 다색 레이저 빔을 생성하기 위한 수단)의 파장은 이 경우 밴드갭을 브리징하기 위한 광자의 수가 일정하게 유지되는 영역으로 제한된다.

펄스 다색 레이저 빔을 생성하기 위한 적절한 수단, 특히 레이저원은 매우 다양한 방식으로 제공될 수 있다.

공지된 초연속 섬유 레이저는 예컨대 350 nm 내지 2400 nm의 파장 범위에 걸쳐 20 와트의 레이저의 평균 출력으로 10 ps 미만의 범위에서 펄스를 방출한다. 이러한 방식으로 분배된 출력 스펙트럼은 가시 범위 또는 근적외 범위에서 투명한 공작물을 가공할 수 있게 한다. 도 1은 일반적인 백색 광섬유 레이저의 스펙트럼 출력 밀도를 나타낸 것이다. 위쪽 곡선은 20 와트의 레이저의 평균 출력에 대한 프로파일을 나타낸다. 아래쪽 곡선은 10 와트의 레이저의 평균 출력에 대한 프로파일을 나타낸다. 레이저의 평균 출력은 적분에 의해 제공된다.

다른 유형의 펄스 다색 레이저 빔의 생성은 스펙트럼 대역폭(Δν)과 펄스 지속시간(Δt) 사이의 관계에 의해 구해진다:

여기서, K는 이하에 따른 구체적인 펄스 형상에 의존한다.

여기서, Δτ는 펄스 지속시간이고, 그 값은 강도 분포 I(t)의 반치전폭(FWHM)으로서 결정되고, Dn은 FWHM에서의 펄스의 스펙트럼 대역폭/ 주파수 폭이다.

이하의 도 2는 1064 nm의 중심 파장으로 로그-로그 표현으로 펄스 폭(Δτ)의 함수로서 펄스의 스펙트럼 확장(Δλ)을 나타낸 것이며, 이하의 계산식이 기본으로 사용된다:

ps로부터 fs 펄스로의 전이에서, n x 100 nm 규모의 정도로 펄스의 확장이 예상된다. 실제로 아토초 펄스로 펄스 지속시간을 더 짧게 하면 백색광 분포가 생성된다. 이 경우의 단점은 먼저 공작물과 짧은 fs 펄스 또는 아토초 펄스의 상호 작용이 공작물의 재료에 손상을 점점 덜 야기하므로 공작물의 가공는 또는 분리능이 점점 더 감소한다는 것이다(펄스(광자)의 짧은 상호작용 시간 때문에, 재료의 포논에 대한 커플링이 일어날 수 없어, 재료의 직접 가열이 일어나지 않는다). 이 경우 버스트 모드 펄스의 수가 유의적으로 증가함으로써 보상이 이루어질 수 있다.

색수차를 갖는 광학 장치는 바람직하게는 석영 유리로 제조된 적어도 하나의 볼록 렌즈를 포함하거나, 또는 적어도 2개의 회절 격자를 포함한다.

석영 유리로 제조된 볼록 렌즈를 포함하는 색수차를 갖는 광학 장치를 사용하는 800 nm 미만의 파장 범위에서의 펄스 다색 레이저 빔의 성형이 도 3에 도시되어 있다. 상이한 초점을 갖는 초점 라인의 확대도가 도 4에 의해 도시되어 있다. 이 실시양태에서, 350 nm 및 1000 nm에 대한 초점은 약 2 mm만큼 상이하며, 즉 350 nm 및 1000 nm의 파장의 초점은 서로 약 2 mm만큼 분리되어 있다. 따라서, 이 거리를 통해 스펙트럼 필터링에 의해 초점이 이동될 수 있다. 이 거리 이동은 상업적으로 이용가능한 광선 추적 프로그램으로 상이한 광학 장치들에 대해 계산될 수 있다. 광선 추적은, 마스킹을 계산하기 위한, 즉 공간의 특정 지점으로부터 3차원 물체의 가시성을 결정하기 위한 광선의 방출에 기반한 알고리즘이다. 광선 추적도 마찬가지로 이 기본 방법의 몇가지 확장을 가리키는데, 이것은 표면에 부딪친 후의 광선의 추가 경로를 계산한다. 예컨대 Zemax와 같은 광학 시뮬레이션 소프트웨어에서, 검출기만큼 멀리 떨어진 이미징 광학 시스템을 통해, 분할될 것으로 간주되는 물체로부터 나오는 광선 필드의 경로가 표시된다.

도 5는 0.30 μm 내지 0.80 μm(300 nm 내지 800 nm)의 파장 범위에서 도 3에 도시된 시스템의 유효 초점 거리를 나타낸 것이다.

추가의 실시양태(도 6)에서, 펄스 레이저 빔은 2개의 회절 격자(BG1 및 BG2)에 의해 링 빔으로 변환되며, 여기서 빔 스펙트럼의 더 짧은 파장(λ1)은 외부 링에 존재하고 빔 스펙트럼의 더 긴 파장(λ2)은 내부 링에 존재한다. 이 링 빔이 액시콘 또는 유사한 광학 제품으로 집속되면, 복수의 초점 F1 및 F2가 형성될 것인데, 그 위치는 파장에 따라 달라진다.

필터는 바람직하게는 대역 에지 필터, 특히 고역 통과 또는 저역 통과 필터이다.

필터는 바람직하게는 레이저 빔의 빔 경로에서 색수차를 갖는 광학 장치 앞에 배치된다. 그러나, 이것은 또한 레이저 빔의 빔 경로에서 색수차를 갖는 광학 장치 뒤에 배치될 수도 있다(그러나, 필터가 초점 라인으로 돌출되지 않도록 하는 것이 필요하다). 광학 장치 앞 및/또는 뒤에 복수의 필터를 배치하는 것도 가능하다.

복수의 필터에 의해, 초점 라인이 선택적으로 복수의 위치에서 초점을 갖지 않도록 복수의 파장이 선택적으로 필터링될 수 있다.

에지 필터(고역 통과 및 저역 통과)를 사용하면 초점 라인의 외부 위치가 제한되며, 밴드 스톱으로 초점 라인의 개별 영역들을 차단 또는 비활성화하는 것이 가능해진다. 사용되는 필터의 필터 곡선과 레이저원의 스펙트럼 강도 분포의 조합이 색수차를 갖는 광학 장치의 입사측에서 레이저 빔의 강도 분포를 결정한다(수학적으로: 필터 곡선 및 광강도 분포의 컨벌루션 적분의 계산). 빔 출구 부위에서, 광학 장치의 색수차가 도달된 강도 분포를 결정한다.

가공될 공작물은 바람직하게는 사용되는 레이저 파장 범위에 대해 적어도 부분적으로 투명하며, 공작물의 투과율은 여기서 85% 초과, 바람직하게는 90% 초과, 특히 바람직하게는 95% 초과이다.

가공될 공작물은 특히 유리, 유리 세라믹 또는 플라스틱을 포함한다.

이 장치는 특히 공작물이 외부 작용에 의해, 특히 기계적 또는 열적 작용에 의해 분리될 수 있는 분리 라인을 도입하기 위한 장치이다.

상기 장치는 특히 동일하거나 상이한 재료로 제조된 공작물 스택 또는 공작물 라미네이트를 가공하기 위한 장치이다.

상기 목적은 또한 청구항 9에 따라

- 펄스 다색 레이저 빔을 생성하는 단계,

- 레이저 빔의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차 및 레이저 빔의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터를 갖는, 레이저 빔의 빔 방향을 따라 초점 라인을 생성하기 위한 광학 장치를 사용하여, 레이저 빔을 안내하는 단계,

- 집속된 레이저 빔의 작용에 의해 공작물을 가공하기 위해, 소정의 가공 라인을 따라 레이저 빔과 공작물 사이의 상대적 이동을 발생시키는 단계

를 적어도 포함하는, 소정의 가공 라인을 따라 공작물을 가공하는 방법에 의해 달성된다.

따라서 소정 가공 라인을 따른 공작물의 가공 방법은 적어도 이하의 단계:

- 펄스 다색 레이저 빔을 생성하는 단계,

- a) 레이저 빔의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차, 및

b) 레이저 빔의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터

를 갖는, 빔 방향을 따라 초점 라인을 생성하기 위한 광학 장치를 사용하여, 레이저 빔을 안내하는 단계,

- 집속된 레이저 빔(레이저 빔 초점 라인)의 작용에 의해 공작물을 가공하기 위해, 소정의 가공 라인을 따라 레이저 빔과 공작물 사이의 상대적 이동을 발생시키는 단계

를 포함한다.

바람직하게는, 펄스 다색 레이저 빔은 초연속 섬유 레이저에 의해 또는 레이저 펄스의 스펙트럼 확대에 의해, 특히 처프 펄스 증폭에 의해 생성된다.

레이저 빔의 생성 동안 적어도 이하가 조절되는 것이 바람직하다:

레이저 빔의 펄스 지속시간: 1 ns 미만, 바람직하게는 1 ps 미만;

버스트 모드: 12∼48 ns;

레이저 빔의 파장 범위: 350 nm 내지 2400 nm.

석영 유리로 제조된 하나 이상의 볼록 렌즈 또는 둘 이상의 회절 격자는 색수차를 갖는 광학 장치로서 바람직하게 사용될 수 있다.

필터로서 대역 에지 필터, 특히 고역 통과 또는 저역 통과 필터가 바람직하게 사용될 수 있다.

레이저의 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 유리, 유리 세라믹 또는 플라스틱을 포함하는 공작물이 바람직하게 가공된다.

상기 방법은 바람직하게는 공작물이 외부 작용에 의해, 특히 기계적 또는 열적 작용에 의해 분리될 수 있는 분리 라인을 도입하는 방법이다.

이 방법은 바람직하게는 동일하거나 상이한 재료로 제조된 공작물 스택 또는 공작물 라미네이트를 가공하기 위한 방법이다.

본 발명은 이하의 예시적 실시양태의 도움으로 더 명백해질 것이다.

도 7은 소정의 가공 라인(3)을 따라 공작물(2)을 가공하기 위한 장치(1)를 도시한 것이며, 장치(1)는 이하를 포함한다:

펄스 다색 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 수단(4),

레이저 빔(5)의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차를 갖고 레이저 빔(5)의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터(7)를 갖는, 레이저 빔의 빔 방향(Z 방향)을 따라 초점 라인(8)을 생성하기 위한 광학 장치(6),

레이저 빔(5)의 초점 라인(8)의 작용에 의해 공작물(2)을 가공하기 위해, 소정의 가공 라인(3)을 따라 레이저 빔(5)과 공작물(2) 사이에 상대 이동을 발생시키기 위한 수단(도시되어 있지 않음).

본 발명의 이점은 도 8에 나타나 있다: 펄스 레이저 빔에 의해 소정의 가공 라인을 따라 공작물이 가공되며, 가공 깊이는 선택적으로 조절된다.

Claims (16)

1. 집속된 레이저 빔(5)을 통해 소정의 가공 라인(3)을 따라 공작물(2)을 분리하기 위한 장치(1)로서,
   - 펄스 다색 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 수단(4),
   - 상기 레이저 빔(5)의 빔 방향을 따라 초점 라인(8)을 생성하기 위한 광학 장치(6)로서, 상기 레이저 빔(5)의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차 및 상기 레이저 빔(5)의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터(7)를 갖는 광학 장치(6),
   - 생성된 초점 라인(8)을 따라 집속된 레이저 빔(5)의 작용에 의해 상기 공작물(2)을 가공하고 상기 공작물(2)을 외부 작용에 의해 분리하기 위해, 상기 소정의 가공 라인(3)을 따라 상기 레이저 빔(5)과 상기 공작물(2) 사이의 상대적 이동을 발생시키기 위한 수단
   을 적어도 포함하는 공작물의 분리 장치.
2. 제1항에 있어서, 펄스 다색 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 수단(4)은 초연속 섬유 레이저 또는 레이저 펄스의 스펙트럼 확장을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 펄스 다색 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 수단(4)은 적어도 이하를 제공하는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 장치:
   평균 레이저 출력: 5 내지 120 와트;
   상기 레이저 빔(5)의 펄스 지속시간: 1 ns 미만;
   버스트 모드: 12 내지 48 ns;
   상기 레이저 빔(5)의 파장 범위: 350 nm 내지 2400 nm.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 장치(6)는 석영 유리로 제조된 적어도 하나의 볼록 렌즈 또는 적어도 2개의 회절 격자(BG1, BG2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필터(7)는 대역 에지 필터인 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공작물(2)은 상기 레이저의 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 상기 공작물(2)은 유리, 유리 세라믹 또는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장치(1)는 상기 공작물(2)이 기계적 또는 열적 작용에 의해 분리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공작물의 가공 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 동일하거나 상이한 재료로 제조된 공작물 스택 또는 공작물 라미네이트를 분리하기 위한 공작물의 분리 장치.
9. 소정의 가공 라인(3)을 따라 공작물(2)을 분리하는 방법으로서,
   - 펄스 다색 레이저 빔(5)을 생성하는 단계,
   - 상기 레이저 빔(5)의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차 및 상기 레이저 빔(5)의 파장-의존 필터링을 위한 적어도 하나의 필터(7)를 갖는, 상기 레이저 빔(5)의 빔 방향을 따라 초점 라인(8)을 생성하기 위한 광학 장치(6)를 사용하여, 상기 레이저 빔(5)을 안내하는 단계,
   - 집속된 레이저 빔(5)의 작용에 의해 상기 공작물(2)을 가공하기 위해, 상기 소정의 가공 라인(3)을 따라 상기 레이저 빔(5)과 상기 공작물(2) 사이의 상대적 이동을 발생시키는 단계,
   - 외부 작용에 의해 상기 공작물(2)을 분리하는 단계
   를 적어도 포함하는 공작물의 분리 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 펄스 다색 레이저 빔(5)은 초연속 섬유 레이저에 의해 또는 레이저 펄스의 스펙트럼 확장에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 레이저 빔(5)의 생성 동안 적어도 이하가 조절되는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 방법:
    상기 레이저 빔(5)의 펄스 지속시간: 1 ns 미만;
    버스트 모드: 12 내지 48 ns;
    상기 레이저 빔(5)의 파장 범위: 350 nm 내지 2400 nm.
12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 석영 유리로 제조된 적어도 하나의 볼록 렌즈 또는 적어도 2개의의 회절 격자(BG1, BG2)가 상기 레이저 빔(5)의 파장-의존 포커싱을 위한 색수차에 사용되는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 방법.
13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 대역 에지 필터가 상기 필터(7)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 방법.
14. 제9항 또는 제10항에 있어서, 레이저의 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 유리, 유리 세라믹 또는 플라스틱을 포함하는 상기 공작물(2)을 분리하는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 방법.
15. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 공작물(2)은 기계적 또는 열적 작용에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 공작물의 분리 방법.
16. 제9항 또는 제10항에 있어서, 동일하거나 상이한 재료로 제조된 공작물 스택 또는 공작물 라미네이트를 분리하기 위한 분리 방법.

Images