KR102662495B1 - 공작물의 레이저 가공 방법, 광학 가공 시스템 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 공작물(23')을 레이저 가공하기 위한 방법에 관한 것으로서, 바람직하게 펄스화된 레이저 빔을, 2개의 상이한 편광 상태 중 하나를 각각 구비하는, 복수의 부분 빔(22')으로 분할하는 단계, 및 연속적인 상호 작용 영역(25)의 적어도 부분적으로 중첩되는 복수의 부분 영역(25A') 내로의 복수의 부분 빔(22')의 포커싱을 통해 공작물(23')을 가공하는 단계를 포함하고, 여기서 부분 빔들(22')은, 개별적인 상이한 편광 상태에서 연속적인 상호 작용 영역(25)의 인접한 부분 영역들(25A') 내로 포커싱된다. 본 발명은 또한, 공작물(23')을 레이저 가공하기 위한 광학 가공 시스템에, 그리고 그러한 광학 가공 시스템을 구비하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

Description

공작물의 레이저 가공 방법, 광학 가공 시스템 및 레이저 가공 장치

본 발명은, 공작물을 레이저 가공하기 위한 방법, 공작물을 레이저 가공하기 위한 광학 가공 시스템, 및 이러한 광학 가공 시스템 및 레이저 소스, 바람직하게 초단파 레이저 소스를 포함하는, 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

공작물의 레이저 가공, 특히 레이저 제거, 레이저 절단, 표면 구조화, 레이저 용접, 레이저 드릴링 등의 경우, 입력 레이저 빔을 상이한 위치에서 공작물 상에 입사되거나 또는 포커싱되는 복수의 부분 빔으로 분할하는 것이 유용하다. 이러한 분할은, 편광기 요소 상에서 수행될 수 있으며, 여기서 입력 레이저 빔으로부터 일반적으로 각각 2개의 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 부분 빔, 예를 들어 서로에 대해 수직으로 편광된 2개의 부분 빔이, 출력 레이저 빔으로서 형성된다. 공간적으로 오프셋된 복수의 입력 레이저 빔이, 편광기 요소 상에 입사되는 것도 또한 가능하다. 이러한 경우, 각각의 입력 레이저 빔은, 2개의 상이한 편광 상태 중 하나를 각각 구비하는 한 쌍의 부분 빔으로 분할된다.

WO2015/128833A1호에는 레이저 빔의 빔 경로에 배치되며 그리고 2개의 선형 편광된 부분 빔을 생성하기 위한 편광 빔 오프셋 요소를 포함하는, 레이저 절단 헤드가 설명되어 있다. 편광 빔 오프셋 요소는, 레이저 빔의 발산 또는 수렴 빔 경로 섹션에 배치된다. 빔 오프셋 요소는, 복굴절 재료로 형성될 수 있다. 포커싱, 확대 광학기기 및 빔 경로에서 포커싱 광학기기 이후에 배치되는 빔 오프셋 요소가 사용될 때, 초점 평면에서 2개의 부분 빔의 부분적인 중첩이 발생할 수 있다.

WO2015/5114032 A1호로부터, 입력 레이저 빔이 편광기에서 2개의 수직으로 편광된 부분 빔으로 분할되는 광학 가공 시스템을 포함하는, 공작물 가공을 위한 레이저 가공 장치가 공지되어 있다. 광학 가공 시스템은, 제1 부분 빔을 위한 경로 길이보다 더 긴 제2 부분 빔을 위한 경로 길이를 구비하고, 이에 의해 제2 부분 빔은 제1 부분 빔보다 더 긴 전파 시간을 구비한다. 제2 부분 빔은, 제1 부분 빔에 대해 적어도 하나의 기하학적 빔 특성이 변경된다. 변경된 제2 부분 빔은, 두 부분 빔이 공통의 출력 레이저 빔을 형성하는 방식으로 제1 부분 빔에 중첩된다.

WO2018/020145A1호에는, 펄스형 레이저에 의해 유전체 또는 반도체 재료를 절단하기 위한 방법이 설명되어 있으며, 여기서 레이저 빔은, 서로 하나의 간격만큼 오프셋된 2개의 공간적으로 분리된 구역에서 재료 상에 입사되는 2개의 부분 빔으로 분할된다. 간격은, 임계값 미만의 값으로 설정되어, 서로 오프셋된 두 구역 사이에서 사전 설정된 방향으로 진행되는 직선형 미세 균열을 재료 내에 생성할 수 있다. 두 부분 빔 상에서, 베셀 빔(bessel beam) 형태의 재료 상의 공간 분포를 생성하기 위한 빔 정형이, 수행될 수 있다.

WO2016/089799A1호는, 입력 빔을 준-비회절 빔(quasi-nondiffractive beam), 예를 들어 베셀 빔으로 변환하기 위한, 빔 정형 광학 요소를 포함하는, 펄스형 레이저 조립체에 의해 적어도 하나의 유리 제품을 레이저 절단하기 위한 시스템을 설명한다. 레이저 조립체는 또한, 준-비회절 빔을 1 ㎛와 500 ㎛사이로 서로에 대해 이격된 복수의 부분 빔으로 변환하기 위한 빔 변환 요소를 포함한다.

DE 10 2019 205 394.7호에는, 적어도 하나의 입력 레이저 빔을 서로에 대해 수직으로 편광된 한 쌍의 부분 빔으로 분할하기 위한 복굴절 편광기 요소, 및 빔 경로 내에서 편광기 요소 이후에 배치되며 그리고 부분 빔을 초점 구역 상에 포커싱하기 위한 포커싱 광학기기를 포함하는, 공작물 가공을 위한 광학 가공 시스템이 설명되어 있고, 여기서 광학 가공 시스템은, 서로에 대해 수직으로 편광된 부분 빔의 적어도 부분적으로 중첩되는 초점 구역을 생성하도록 형성된다. 광학 가공 시스템은, 초점 평면에서 사전 설정된 윤곽을 따라 적어도 부분적으로 중첩되는 초점 구역의 복수의 쌍을 생성하도록 형성될 수 있으며, 여기서 직접 인접하는 쌍의 서로에 대해 수직으로 편광된 2개의 부분 빔의 각각의 초점 구역은, 적어도 부분적으로 중첩된다.

본 발명의 과제는, 3차원 공작물 가공, 특히 공작물의 표면 또는 에지의 가공을 가능하게 하는, 레이저 가공 방법, 광학 가공 시스템 및 이러한 광학 가공 시스템을 구비하는 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.

이러한 과제는, 본 발명에 따라, 공작물을 레이저 가공하기 위한 방법으로서, 바람직하게 펄스화된 레이저 빔, 특히 초단파 레이저 빔을, (특히 쌍으로) 각각 2개의 상이한 편광 상태 중 하나를 구비하는 복수의 부분 빔으로 분할하는 단계, 및 연속적인 상호 작용 영역의 적어도 부분적으로 중첩되는 복수의 부분 영역(또는 초점 구역) 내로의 복수의 부분 빔의 포커싱을 통해 공작물을 가공하는 단계를 포함하고, 여기서 각각 상이한 편광 상태를 갖는 부분 빔들은, 연속적인 상호 작용 영역의 인접한 부분 영역들 내로 포커싱되는 것인, 방법에 의해 달성된다. 레이저 빔은, 예를 들어 고체 레이저, 특히 디스크 레이저 또는 섬유 레이저에서 생성될 수 있다.

본 출원의 목적을 위해, 상이한 편광 상태를 갖는 부분 빔들은, 편광 방향으로 그리고 서로에 대해 90°의 각도로 정렬되는 선형 편광된 부분 빔들을 의미하는 것으로 이해된다. 그러나, 상이한 편광 상태를 갖는 부분 빔들은 또한, 반대되는 회전 방향을 갖는 원형 편광된 부분 빔들, 즉 좌측 및 우측으로 원형 편광된 2개의 부분 빔을 의미하는 것으로도 이해된다. 서로 수직으로 정렬된 편광 방향들을 갖는 선형 편광된 부분 빔들의, 반대되는 회전 방향들을 갖는 원형 편광된 부분 빔들로의 변환은, 예를 들어, 적합하게 배향된 지연 플레이트(λ/4 플레이트)의 도움으로 수행될 수 있다.

예를 들어 단일 모드 레이저에 의해 생성되며 그리고 가우시안 빔 프로파일을 구비하는, (펄스형) 레이저 빔이, 2개 이상의 부분 빔으로 분할되며, 그리고 부분 빔들이, 적어도 부분적으로 중첩된다면, 이는, 부분 빔들이 동일한 또는 유사한 편광을 구비하는 경우에, 바람직하지 않은 간섭 효과로 이어질 수 있다. 따라서, 부분 빔들을 포커싱할 때, 초점 구역들 또는 초점 횡단면들이, 요구되는 바와 같이 함께 가까이 놓일 수 없고, 따라서 부분 빔들은 일반적으로, 서로에 대해 이격되는 공작물 상의 초점 구역들 또는 부분 영역들 상에 포커싱된다.

바로 인접한 부분 영역들 또는 초점 구역들 상에 각각 상이한 편광 상태를 갖는 부분 빔들을 포커싱할 때, 각각의 부분 빔들의 편광 상태가 전체 관련 빔 횡단면 또는 각각의 초점 구역에 걸쳐 균일한 경우에는, (부분적인) 중첩이, 상이한 공간 범위 또는 각도 범위에서 레이저 복사의 간섭 효과로 이어지지 않는다. 따라서, 각각의 부분 빔의 편광은, 개소에 의존하여 빔 횡단면에 걸쳐 또는 초점 구역/부분 영역에 걸쳐, 가능한 한 적게 변화되어야 한다. 이러한 경우, 인접한 초점 구역들은, 요구되는 바와 같이 서로 가깝게 놓일 수 있고, 부분적으로 또는 경우에 따라서는 완전히 중첩될 수 있으며, 그리고 심지어 횡방향으로, 즉 부분 빔들의 전파 방향에 대해 수직으로, 그리고 종방향으로, 즉 부분 빔들의 전파 방향으로, 균질한 초점 구역들을 형성할 수 있다.

부분 영역들은 일반적으로, 연속적인 상호 작용 영역을 따라 정렬되며, 즉 (상호 작용 영역의 양 단부 상의 부분 영역들은 제외한) 각 부분 영역들은, 정확히 2개의 인접한 부분 영역과 접하고, 이러한 2개의 인접한 부분 영역과 부분적으로 중첩된다. 연속적인 상호 작용 영역에서, 인접한 부분 영역들은 이에 따라, 일반적으로 단지 추가의 인접한 부분 영역의 각각 상이하게 편광된 부분 빔과 중첩되지 않는 정도로만 중첩되므로, 동일하게 편광된 부분 빔의 중첩이 발생하지 않는다. 연속적인 상호 작용 영역은, 사전 설정된 연속적인 윤곽을 형성하며, 이러한 윤곽은 (만곡된) 다중 스폿 초점 윤곽 또는 직선 윤곽의 경우 다중 스폿 초점 라인으로도 또한 지칭된다.

상이한 편광 상태를 구비하는 완전히 또는 부분적으로 중첩되는 부분 빔들의 사용에 대한 대안으로서, 간섭 효과가 실질적으로 발생하지 않는 정도의 크기의 시간 오프셋을 구비하는, 완전히 또는 부분적으로 중첩되는 부분 빔들이 또한, 사용될 수 있다. 이것은 일반적으로, 시간 오프셋이 적어도 펄스 지속 시간의 크기 정도(order of magnitude) 또는 가간섭성 길이(coherence length)의 크기 정도에 대응하는 경우이다. 최소한, 여기서 일반적으로 2개의 값(펄스 지속 시간 또는 가간섭성 길이) 중 각각 더 작은 값의 50%가, 시간 오프셋으로서 선택된다.

각각 2개의 상이한 편광 상태 중 하나를 구비하는 복수의 부분 빔으로의 레이저 빔의 분할은, 일반적으로 광학 가공 시스템에서 일어난다.

일 변형예에서, 레이저 빔은, 레이저 빔이 복수의 부분 빔으로 분할될 때, 바람직한 회절 빔 스플리터 광학기기 및 적어도 하나의 바람직한 복굴절 편광기 요소를 통과한다. (예를 들어 회절) 빔 스플리터 광학기기는, 공작물의 (바람직하게 투과성인) 재료의 작업 체적 내의 복수의 부분 영역 또는 초점 구역(스폿) 내로 빔을 분할하기 위해, 레이저 빔을 복수의 부분 빔으로 분할할 수 있다. 편광기 광학기기 또는 편광기 요소를 사용하지 않고 작업 체적 내에 생성되는 초점 구역들은, 위에서 설명된 간섭 효과를 방지하기 위해, 서로에 대해 이격된다. 편광기 광학기기 또는 편광기 요소는, 빔 스플리터 광학기기에 의해 생성되는 각각의 입력 레이저 빔을 각각 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 부분 빔으로 분할하여, 이러한 방식으로 초점 구역들 사이의 갭들을 채우도록, 연속적인 상호 작용 영역을 생성할 수 있도록 역할을 한다. 따라서, 연속적인 상호 작용 영역을 따라 빔 형상 또는 강도 분포가 생성되며, 이는 일반적으로 계속적인 전환을 갖는데, 즉 부분 빔들 사이 또는 초점 구역들/부분 영역들 사이의 강도 분포에 0점(zero point)을 구비하지 않는다.

위에서 설명된 바와 상이하게, 레이저 빔은, 우선 편광기 요소(들)를 통과할 수 있으며, 그리고 단지 그 이후에만, 빔 스플리터 요소 또는 빔 스플리터 광학기기를 통과할 수 있다는 것이, 이해되어야 한다. 빔 스플리터 광학기기는, 예를 들어 회절 광학 요소의 형태로 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 유형의 빔 스플리터 광학기기들, 예를 들어 기하학적 빔 스플리터 광학기기일 수도 있다.

이하의 상세한 설명에서 종종 단지 하나의 복굴절 편광기 요소만이 언급되더라도, 기본적으로 2개 이상의 (복굴절) 편광기 요소가 또한 광학 가공 시스템 내에 제공될 수도 있다. 이러한 경우, 예를 들어 (초단파 펄스) 레이저 소스에 의해 생성되는 그리고 광학 가공 시스템 내로 유입되는 레이저 빔은, 2개 이상의 부분 빔으로 분할될 수 있으며, 이들 각각은, 관련 복굴절 편광기 요소에 대한 입력 레이저 빔을 나타내거나, 또는 경우에 따라서는 복수의 레이저 소스의 레이저 빔들이, 입력 레이저 빔들로서 사용될 수 있다.

일 변형예에서, 레이저 빔이 복수의 부분 빔으로 분할될 때, 복굴절 편광기 요소는, 연속적인 상호 작용 영역의 인접한 부분 영역들 상에 포커싱되는 2개의 부분 빔 사이에 횡방향 오프셋(공간적 오프셋) 및/또는 각도 오프셋을 생성한다. 이러한 경우, 복굴절 편광기 요소는, 횡방향 (공간적) 오프셋을 생성하기 위해 또는 각도 오프셋을 생성하도록 또는 서로에 대해 수직으로 편광된 2개의 부분 빔 사이에 각도 오프셋과 공간적 오프셋의 조합을 생성하도록 구성될 수 있다.

일반적으로 복굴절 결정 형태의 복굴절 편광기 요소의 도움으로, 입력 레이저 빔의 그의 편광 성분들로의 표적화된 공간적 분할이, 입력 레이저 빔의 적합한 편광과 더불어, 예를 들어 편광되지 않은 입력 레이저 빔의 경우에 또는 한정되지 않은 또는 원형의 편광을 갖는 입력 레이저 빔의 경우에, 이루어질 수 있다. 복굴절 편광기 요소의 구성에 의존하여, 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 부분 빔 사이에, 명확하게 한정된 순수한 공간적 오프셋, 명확하게 한정된 순수한 각도 오프셋, 또는 공간적 오프셋 및 각도 오프셋의 조합이, 생성될 수 있다.

(각도 오프셋이 없는) 공간적 오프셋을 생성하기 위해, 복굴절 편광기 요소는, 예를 들어 평행하게 정렬된, 일반적으로 평면인, 빔 진입 표면 및 빔 방출 표면을 구비할 수 있다. 복굴절 결정의 광학 축은, 이러한 경우, 일반적으로 빔 진입 표면에 대해 일 각도로 정렬된다. 입력 레이저 빔이 빔 진입 표면 상에 수직으로 입사되면, 빔 방출 표면에서 순수한 공간적 오프셋이 생성된다.

(공간적 오프셋이 없는) 각도 오프셋을 생성하기 위해, 복굴절 편광기 요소는, 빔 진입 표면에 대해 일 각도로 경사진 빔 방출 표면을 구비할 수 있다. 복굴절 결정의 광학 축은, 이러한 경우, 일반적으로 빔 진입 표면에 평행하게 정렬된다. 2개의 부분 빔은, 이러한 경우 빔 방출 표면에서 동일한 위치에서 그리고 한정된 각도 오프셋으로, 복굴절 결정으로부터 방출된다.

공간적 오프셋 및 각도 오프셋의 조합을 생성하기 위해, 종래의 프리즘 편광기 형태의 편광기 요소, 예를 들어 니콜 프리즘(Nicol prism), 로숀 프리즘(Rochon prism), 글랜-톰슨 프리즘(Glan-Thompson prism) 또는 다른 유형의 프리즘 편광기(예를 들어 "https://de.wikipedia.org/wiki/Polarisator" 또는 "https://www.b-halle.de/produkte/Polarisatoren.html" 참조)가, 사용될 수 있다.

다른 변형예에서, 레이저 빔이 복수의 부분 빔으로 분할될 때, 복굴절 편광기 요소, 특히 복굴절 렌즈 요소는, 바람직하게 연속적인 상호 작용 영역의 인접한 부분 영역들 상에 포커싱되는 2개의 부분 빔 사이에, 종방향 오프셋을 생성한다. 예를 들어, 복굴절 이미징 광학 요소, 특히 렌즈 요소가, 부분 빔들 사이에 종방향 오프셋을 생성하기 위해, 사용될 수 있다. 복굴절 렌즈 요소는, (예를 들어 수렴 렌즈로서) 포커싱 방식으로 또는 (예를 들어 발산 렌즈로서) 빔 확장 방식으로 구성될 수 있다. 제1 경우에, 렌즈 요소는, 광학 가공 시스템의 포커싱 광학기기를 형성할 수 있다. 그러나, 비-복굴절 렌즈 요소(포커싱 렌즈)가 포커싱 광학기기로서 사용되는 경우가 유리한 것으로 입증되었다. 복굴절 렌즈 요소가 포커싱 효과를 갖는 경우, 이러한 복굴절 렌즈 요소는, 포커싱 광학기기의 일부분을 형성할 수 있다. 본 출원에서, 가장 큰 굴절력을 구비하며 그리고 일반적으로 포커싱 렌즈(대물렌즈)의 형태로 구현되는 광학 요소는, 종종 포커싱 광학기기로 지칭된다.

광학 가공 시스템의 빔 경로에서의 복굴절 편광기 요소(들)의 배열은, 레이저 가공의 유형뿐만 아니라, 회방향 또는 종방향 공간적 오프셋 및/또는 각도 오프셋이 생성되어야 하는지의 여부에, 의존한다. 광학 가공 시스템에서 복굴절 편광기 요소의 배열의 예시를 위해, 도입부에서 인용된 DE 10 2019 205 394.7호가 참조되며, 이는 참조를 통해 그 전체가 본 출원의 내용에 통합된다. 복굴절 편광기 요소의 적합한 선택을 통해, 연속적인 상호 작용 영역의 초점 구역들 또는 부분 영역들의 종방향 오프셋 및 횡방향 오프셋 양자 모두가 생성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

연속적인 상호 작용 영역의 부분 영역들 또는 초점 구역들은, 일반적으로 광학 가공 시스템의 초점 평면에 대응하는, 공통 평면 내에 놓일 수 있다.

바람직하게, 연속적인 상호 작용 영역의 부분 영역들 중의 적어도 2개는, 종방향(예를 들어 Z 방향)으로 오프셋되는데, 즉 이들은 공통의 초점 평면 내에 놓이지 않는다. 이러한 변형예에서, 연속적인 상호 작용 영역은 일반적으로, 선형 형상으로부터 벗어나며, 즉 상호 작용 영역은, 종방향으로 연장되는 일반적으로 만곡된 윤곽을 형성한다. 횡방향(예를 들어 X 방향)으로 부분 영역들의 부가적인 오프셋을 구현함으로써, 연속적인 상호 작용 영역은, X-Z 평면에서 실질적으로 임의의 기하학적 구조 또는 윤곽 라인을 형성할 수 있다. 기본적으로, 두 방향(예를 들어 X 방향 및 Y 방향)으로 부분 빔들의 횡방향 오프셋을 생성하는 것이 또한 가능하며, 즉 연속적인 상호 작용 영역이, 반드시 하나의 평면 내에 놓여야만 하는 것은 아니다.

다른 변형예에서, 레이저 가공 도중에 연속적인 상호 작용 영역 및 공작물은 서로에 대해 상대적으로 이동되고, 여기서 이동은 바람직하게, 진행 방향을 따라 일어난다. 상대적인 이동에 의해, 상호 작용 영역은, 예를 들어 공작물의 재료가 제거될 수 있거나 또는 공작물의 재료가 구조적으로 변형될 수 있는, 가공 경로를 따라 이동된다. 진행 방향은, 레이저 가공 도중에 일정하게 선택될 수 있지만, 그러나 레이저 가공 도중에 진행 방향을 변경시키는 것 또한 가능하다. 가장 단순한 경우에, 공작물 및 상호 작용 영역은, 상호 작용 영역이 그에 놓이는 평면(예를 들어 X-Z 평면)에 대해 횡방향으로, 특히 수직으로, 연장되는 방향으로, 서로에 대해 직선으로 진행된다.

레이저 가공 또는 공작물 가공은, 예를 들어 레이저 제거, 레이저 절단, 표면 구조화, 레이저 용접, 레이저 드릴링 등일 수 있다. 레이저 가공의 유형에 의존하여, 상대적인 이동은, 예를 들어 레이저 제거 도중에 공작물 재료의 복수의 층을 연속적으로 제거하기 위해, 여러 번 반복될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

일 변형예에서, 상호 작용 영역은, 공작물로부터 재료를 제거하기 위한 삭마 영역(ablation area)을 형성한다. 이러한 경우, 공작물은, 예를 들어 공작물의 재료가 층들에서 제거되도록, 가공될 수 있다. 이러한 경우에, 연속적인 상호 작용 영역은, 선형일 수 있으며 그리고 초점 평면 내에서 진행될 수 있다. 선형 상호 작용 영역 및 공작물을 진행 방향을 따라 서로에 대해 상대적으로 이동시킴으로써, 공작물의 각각의 층이, 제거될 수 있다. 공작물에 V-자 형상 또는 U-자 형상의 홈을 생성하기 위해, 예를 들어 V-자 형상 또는 U-자 형상의 프로파일과 같은, 제거될 윤곽에 맞춰지는 기하학적 형상 또는 프로파일을 구비하는, 상호 작용 영역을 생성하는 것이, 또한 가능하다. 그러한 맞춰진 프로파일을 갖는 상호 작용 영역은, V-자 형상 또는 U-자 형상의 홈을 생성하기 위해 그리고 경우에 따라서는 공작물을 2개의 세그먼트로 분리하기 위해, 복수의 연속적인 삭마 단계에서 공작물의 체적 내로 점점 더 깊게 하강될 수 있다. 상호 작용 영역의 프로파일은, 경우에 따라서는 레이저 가공 도중에 변경될 수 있다. 특히, 각각 재료가 제거되는 연속적인 삭마 단계에서, 상호 작용 영역의 더 경사진 프로파일이, 점진적으로 선택될 수 있는데, 즉 종방향으로의 프로파일의 연장이 증가한다. 예를 들어 이러한 경우, V-자 형상 프로파일이, 공작물 내에 V-자 형상 홈을 생성하도록 하기 위해, 연속적인 삭마 단계들에서 점진적으로 보다 경사지게 선택될 수 있다.

다른 변형예에서, 삭마 영역은, 공작물의 진입측 표면 상에 또는 공작물의 방출측 표면 상에 형성되며, 여기서 레이저 가공 도중에, 바람직하게, 사전 설정된, 특히 3차원의 표면 형상이, 진입측 표면 또는 방출측 표면 상에 생성된다. 이러한 변형예에서, 레이저 가공을 통해 표면 형상 또는 표면의 기하학적 구조의 변형이 수행되어, 사전 설정된 표면 형상에 맞춰질 수 있고, 예를 들어 쐐기형, 원통형 또는 자유형 표면을 형성할 수 있다. 이를 위해, 상호 작용 영역의 프로파일 또는 기하학적 구조가, 사전 설정된 표면 형상애, 보다 정확하게는 사전 설정된 표면 형상의 횡단면 프로파일에, 맞춰지고, 상호 작용 영역은, 공작물에 대한 가공 경로를 따라 이동되어, 표면 상에 사전 설정된 표면 형상을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 표면의 거의 모든 형상이 생성될 수 있다. 레이저 가공 후, 표면이 변형되는 마무리 가공이 수행될 수 있고, 예를 들어 표면이 연마될 수 있다.

공작물의 방출측 표면 상에 삭마 영역이 형성되는 경우, 공작물은, 레이저 빔의 파장에 대해 투과성이다. 후면이 제거되는 레이저 가공의 경우, 유리하게는, 진입측 가공과는 달리, 제거 제품이 가공 구역까지의 빔 전파에 영향을 미치지 않는다. 투과성 공작물의 경우, 진입측 표면 및 방출측 표면은, 이를 위해 공작물이 각각의 고정 장치로부터 취출되거나 또는 회전될 필요 없이 가공될 수 있다. 투과성 공작물은, 특히 유리로 이루어진 공작물일 수 있다.

추가의 변형예에서, 상호 작용 영역은, 공작물의 재료의 구조적인 변형을 위한 변형 영역을 형성하고, 여기서 공작물은 바람직하게, 레이저 빔에 대해 투과성인 재료로, 특히 유리로, 이루어진다. 이러한 변형예에서, 레이저 가공 도중에 공작물의 재료는 제거되지 않고, 공작물 재료의 구조적인 변형이 수행된다. 이러한 구조적 변형은, 초단파 펄스 레이저 복사로 조사될 때, 화학적 결합의 재배열, 미세 균열의 형성 등에 의해 이루어질 수 있다. 구조적 변형은 특히, 유리 재료의 균열 형성을 생성하거나 또는 촉진시킬 수 있다. 유리 재료는, 예를 들어 석영 유리 또는 다른 유형의 (광학적) 유리일 수 있다. 투과성 재료의 경우, 구조적 변형은, 표면으로 또는 표면에 가까운 체적 영역으로 제한되지 않고, 공작물의 체적 내에서 실질적으로 모든 지점에 도입될 수 있다. 그러나, 공작물의 표면에 대한 구조적 변형이 또한 가능하며, 예를 들어 구조적 변형은 표면의 연마(국부적 용융)를 발생시킬 수 있다.

상호 작용 영역의 부분 영역들 또는 초점 구역들의 기하학적 구조가 균열 형성에 대한 우선 방향을 사전 설정하거나 또는 한정하는 경우에 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 초점 구역들의 타원형(elliptical) 또는 난형(oval) 형상을 통해 달성될 수 있는데, 균열 형성이 바람직하게 난형 또는 타원형 초점 구역의 긴 축을 따라 수행되기 때문이다.

추가의 변형예에서, 공작물은, 구조적 변형 후에, 레이저 가공 도중에 공작물의 체적 내에 형성되는 변형 윤곽을 따라 2개의 세그먼트로 분리되고, 여기서 분리는 바람직하게, 기계적 분리 공정, 열적 분리 공정 또는 에칭 공정에 의해, 일어난다. 이러한 변형예에서, 구조적 변형은, 공작물의 재료의 사전 손상을 위해 사용되고, 공작물의 분리는, 이러한 경우, 일반적으로 단지 구조적 변형이 완료된 이후에만 일어난다. 기계적 분리 공정에서, 예를 들어 힘 또는 기계적 응력이, 공작물 상에 가해져, 공작물을 2개의 세그먼트로 분리하거나 또는 나눌 수 있다. 열적 분리 공정에서는 공작물이 가열될 수 있으므로, 공작물의 재료에 분리를 발생시키는 기계적 응력을 생성하는 온도 구배가 생성된다. 공작물의 열처리는, 예를 들어 공작물의 재료에 의해 흡수되는 레이저 복사의 도움으로 수행될 수 있다. 이는 예를 들어 CO₂ 레이저의 레이저 복사인 경우인데, 대부분의 재료에 의해, 특히 석영 유리에 의해, 흡수되는 대략 10 ㎛의 파장에서, 이러한 레이저 복사를 생성하기 때문이다. 열처리 또는 열적 분리 공정을 위해, 예를 들어 CO₂ 레이저 빔은, 공작물의 표면 상에 조사될 수 있다. 공작물의 2개의 세그먼트로의 분리는 또한, 공작물이 구조적 변형 후에 예를 들어 에칭 조(etching bath) 내에 배치되는, 에칭 공정에 의해 이루어질 수 있다.

변형 윤곽이 공작물의 체적 내로 가능한 한 멀리 연장되는 경우, 분리에 유리하다. 이상적으로는, 변형 구조가 공작물의 상면을 공작물의 하면에 연결한다. 후자는 연속적인 상호 작용 영역의 적합한 3차원 프로파일을 통해 달성될 수 있으며, 연속적인 상호 작용 영역은, 이러한 경우에, 공작물의 전체 두께에 걸쳐 확장된다. 공작물의 종방향으로 또는 두께 방향으로 부분 영역들 또는 초점 구역들의 가능한 한 큰 연장을 생성하기 위해, 레이저 빔, 보다 정확하게는 부분 빔이, 베셀 형상의 빔 프로파일을 구비하는 것이, 또한 가능하다. 이러한 경우, 변형 윤곽의 생성을 위해 선형의 상호 작용 영역이 또한 사용될 수 있고, 여기서 부분 영역들은 종방향으로 서로에 대해 반드시 오프셋되어야 하는 것은 아니다.

본 발명은 또한, 공작물을 레이저 가공하기 위한 광학 가공 시스템으로서, 바람직하게 펄스화된 레이저 빔을, (특히 쌍으로) 2개의 상이한 편광 상태 중 하나를 각각 구비하는 복수의 부분 빔으로 분할하기 위한, 바람직한 회절 빔 스플리터 광학기기 및 적어도 하나의 바람직한 복굴절 편광기 요소, 및 연속적인 상호 작용 영역의 적어도 부분적으로 중첩되는 복수의 부분 영역 내로 복수의 부분 빔을 포커싱하기 위한, 포커싱 광학기기를 포함하고, 여기서 광학 가공 시스템은, 연속적인 상호 작용 영역의 인접한 부분 영역들 내로, 각각 상이한 편광 상태를 갖는 부분 빔들을 포커싱하도록 구성되는 것인, 광학 가공 시스템에 관련된다. 또한, 이러한 경우, 부분 영역들은 일반적으로, 연속적인 상호 작용 영역을 따라 정렬된다.

일 실시예에서, 광학 가공 시스템은, 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 부분 빔 사이에 횡방향 (공간적) 오프셋 및/또는 각도 오프셋을 생성하기 위한, 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소를 구비한다. 횡방향 오프셋 및/또는 각도 오프셋을 구현하기 위한 상이한 가능성에 대해서는, 본 방법과 관련한 위의 실시예들이 참조된다.

각각의 가공 적용예에 따라, 각도 오프셋을 생성하지만, 그러나 단지 약간의 공간적 오프셋만을 생성하는 (예를 들어, 빔 스플리터 적용의 경우 또는 레이저 제거의 경우에, 2f 설정) 복굴절 편광기 요소, 또는 공간적 오프셋을 생성하지만, 그러나 단지 약간의 각도 오프셋만을 생성하는(예를 들어 유리 분리 또는 유리 절단 시 베셀형 빔 프로파일이 사용되는 경우에, 4f 설정) 복굴절 편광기 요소를 사용하는 것이, 유리할 수 있다.

추가의 실시예에서, 광학 가공 시스템은, 바람직하게 연속적인 상호 작용 영역의 인접한 부분 영역들 내로 포커싱되는 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 부분 빔 사이에 종방향 오프셋을 생성하기 위한, 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소를, 특히 복굴절 렌즈 요소를 포함한다. 위에서 계속 설명된 바와 같이, 상이하게 편광된 부분 빔들 사이에, 종방향 오프셋이, 복굴절 렌즈 요소에 의해 생성될 수 있다.

위에서 계속 설명된 바와 같이, 복굴절 렌즈 요소는, 기본적으로 포커싱 광학기기를 형성할 수 있고, 즉 광학 가공 시스템은, 바람직하게 연속적인 상호 작용 영역의 인접한 부분 영역들인, 상호 작용 영역의 초점 구역들 또는 부분 영역들 내에 부분 빔들을 포커싱하기 위한 어떤 다른 포커싱 요소를 구비하지 않는다.

부분 영역들 또는 초점 구역들의 크기 또는 직경이, 이러한 경우, 복굴절 렌즈 요소의 초점 거리에 의해 사전 결정되며, 그리고 단지 렌즈 요소의 생산을 위한 제한된 개수의 복굴절 재료만이 사용 가능하기 때문에, 이러한 경우, 부분 영역들또는 초점 구역들 사이의 종방향 오프셋이, 사전 결정된다.

따라서, 포커싱 광학기기가, 비-복굴절 포커싱 요소로, 특히 비-복굴절 재료로 이루어진 추가의 렌즈 요소를 포함하거나 또는 비-복굴절 재료로 이루어진 포커싱 렌즈로 구성되는 경우에, 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 경우, 복굴절 렌즈 요소와 조합하여, 포커싱 광학기기의 요구되는 효율적인 초점 거리가 한정될 수 있고, 부분 빔들의 요구되는 종방향 오프셋이 사전 결정되거나 또는 결정될 수 있다.

본 발명은 또한, 레이저 가공 장치로서, 위에서 계속 설명된 바와 같은 광학 가공 시스템, 및 레이저 빔을, 특히 가우시안 빔 프로파일을 갖는 레이저 빔을 생성하기 위한, 레이저 소스, 특히 초단파 펄스 레이저 소스를 포함하는 것인, 레이저 가공 장치에 관련된다. 레이저 소스는, 바람직하게 가우시안 빔 프로파일을 갖는 단일 모드의 레이저 빔을 생성하도록 형성되지만, 그러나 이는 꼭 필요한 것은 아니다.

광학 가공 시스템은, 예를 들어 레이저 가공 헤드 또는 레이저 가공 헤드의 하우징 내에 장착될 수 있으며, 이러한 레이저 가공 헤드는, 공작물에 대해 이동될 수 있다. 레이저 가공 장치는, 대안적으로 또는 부가적으로, 부분 빔들을 공작물 상에 또는 공작물 상의 상이한 위치에 정렬하기 위한, 스캐너 장치를 포함할 수 있다. 위에서 계속 설명된 광학기기 외에도, 광학 가공 시스템은, 다른 광학기기를 또한 포함할 수도 있다. 레이저 가공 장치는 또한, 진행 방향을 따라 공작물의 이동, 특히 변위를 위한 이동 장치, 예를 들어 선형 구동부를 포함할 수 있다.

본 발명의 추가의 이점은, 본원의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 또한, 상기 언급된 및 이하에서 보다 상세히 기술되는 특징들은, 그 자체로 또는 임의의 복수의 조합으로도 사용될 수 있다. 도시되고 설명되는 실시예들은, 제한적인 열거로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특성을 갖는다.

도 1a 및 도 1b는, 서로에 대해 수직으로 편광된 2개의 부분 빔 사이에 각도 오프셋 또는 공간적 오프셋을 생성하기 위한, 2개의 복굴절 편광기 요소의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는, 서로에 대해 수직으로 편광된 2개의 부분 빔의 초점 구역 사이에 종방향 오프셋을 생성하기 위한 복굴절 렌즈 요소를 갖는, 광학 가공 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2c는, 2개의 초점 구역의 추가적인 횡방향 오프셋을 생성하기 위한, 도 1a에 도시된 편광기 요소를 갖는 도 2b와 유사한 광학 가공 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 공작물에 대한 레이저 제거 가공의 개략도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는, 변형 윤곽을 따라 공작물을 분리하기 위해 공작물 재료를 변형시키는 레이저 가공의 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는, 에칭 공정을 준비하기 위해 공작물 재료를 변형시키는 레이저 가공의 개략도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는, 공작물의 표면 가공을 위한 레이저 제거 가공의 개략도를 도시한다.

도면의 이하의 설명에서 동일하거나 또는 기능적으로 동일한 부품에 대해 동일한 참조 부호가 사용된다.

도 1a 및 도 1b는 각각, 복굴절 결정의 형태의 복굴절 편광기 요소(1a, 1b)를 개략적으로 도시한다. 편광기 요소(1a, 1b)를 위한 결정 재료로서, 상이한 복굴절 재료들, 예를 들어 알파-BBO(알파-바륨 붕산염), YVO4(이트륨 바나듐산염), 결정질 석영 등이, 사용될 수 있다. 도 1a의 복굴절 편광기 요소(1a)는, 쐐기형으로 형성되는데, 즉 입력 레이저 빔(3)의 진입을 위한 편광기 요소(1a)의 평면 빔 진입 표면(2a) 및 평면 빔 방출 표면(2b)은, 서로에 대해 (쐐기) 각도로 정렬된다. 결정 재료의 이러한 또는 하나의 광학 축(4)은, 빔 진입 표면(2a)에 평행하게 정렬된다.

빔 진입 표면(2a)에 대해 수직으로 복굴절 편광기 요소(1a) 내로 진입하는 편광되지 않은 또는 원형 편광된 입력 레이저 빔(3)은, 빔 진입 표면(2a)에 대해 각도를 갖도록 경사진 빔 방출 표면(2b)에서, 서로에 대해 수직인 (s-편광된 또는 p-편광된), 즉 2개의 상이한 편광 상태 중 하나를 구비하는, 2개의 부분 빔(5a, 5b)으로 분할된다. 도 1a에서 통상적인 바와 같이, s-편광된 부분 빔(5a)은, 점으로 식별되는 반면, p-편광된 제2 부분 빔(5b)은, 이중 화살표로 식별된다. s-편광된 제1 부분 빔(5a)은, 복굴절 편광기 요소(1a)로부터 방출될 때, p-편광된 제2 부분 빔(5b)보다 덜 강하게 굴절되므로, 제1 및 제2 부분 빔(5a, 5b) 사이에 각도 오프셋(Δα)이 발생된다. 제1 및 제2 부분 빔(5a, 5b)은 여기서 빔 방출 표면(2b) 상의 동일한 지점에서 복굴절 편광기 요소(1a)로부터 방출되는데, 즉 2개의 부분 빔(5a, 5b) 사이에 각도 오프셋(Δα)이 생성되지만, 그러나 공간적 오프셋은 생성되지 않는다.

도 1b에 도시된 편광기 요소(1b)에서, 빔 진입 표면(2a) 및 빔 방출 표면(2b)은 서로 평행하게 정렬되고, 결정 재료의 광학 축(4)은, 빔 진입 표면(2a)에 대해 45°의 각도로 정렬된다. 빔 진입 표면(2a)에 대해 수직으로 입사되는 입력 빔(3)은, 이러한 경우, 빔 진입 표면(2a)에서 제1 보통의 부분 빔(5a) 및 제2 특별한 부분 빔(5b)으로 분할된다. 2개의 부분 빔(5a, 5b)은, 평행하게, 즉 각도 오프셋 없이, 그러나 공간적 오프셋(Δx)을 가지고, 빔 방출 표면(2b)에서 방출된다.

따라서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 2개의 복굴절 편광기 요소(1a, 1b)는, 도 1a에 도시된 편광기 요소(1a)가 (공간적 오프셋 없이) 각도 오프셋(Δα)을 생성하고, 도 1b에 도시된 편광기 요소(1b)가 (각도 오프셋 없이) 공간적 오프셋(Δx)을 생성함으로써, 기본적으로 구별된다. 예를 들어 도 1a에 도시된 쐐기형 편광기 요소(1a)는 또한, 일반적으로 2개의 복굴절 광학 요소를 포함하는 종래의 프리즘 편광기의 경우와 같이, 공간적 오프셋(Δx) 및 각도 오프셋(Δα) 모두를 생성하도록 형성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

도 2a 내지 도 2c는 각각, 시준된 입력 레이저 빔(3)이 조사되는 복굴절 포커싱 렌즈 요소(6) 형태의 편광기 요소를 도시한다. 입력 레이저 빔(3)은, 복굴절 렌즈 요소(6) 상에서 서로에 대해 수직인 (s-편광된 또는 p-편광된) 2개의 부분 빔(5a, 5b)으로 분할된다. 도 2a에 도시된 예시에서, s-편광된 제1 부분 빔(5a)은, 복굴절 렌즈 요소(6)로부터 방출될 때, p-편광된 제2 부분 빔(5b)보다 더 강하게 굴절되므로, 제1 부분 빔(5a)의 초점 구역(8a)과 제2 부분 빔(5a, 5b)의 초점 구역(8b) 사이에 종방향 (위치) 오프셋(Δz)이 생성된다. 2개의 초점 구역(8a, 8b)은, 도면을 단순화하기 위해 도 2a 내지 도 2c에서 점 형상으로 도시되지만, 그러나 종방향(z 방향)으로 중첩된다. 복굴절 렌즈 요소(6)는, 편광기 요소(1a, 1b)와 같이 복굴절 결정으로 형성된다.

도 2b에서, 도 2a에서와 같이, 복굴절 포커싱 렌즈 요소(6)는, 입력 레이저 빔(3)을 2개의 부분 빔(5a, 5b)으로 분할한다. 복굴절 렌즈 요소(6) 상에서 더 강하게 굴절되는 제1 부분 빔(5a)은, 부가적인 비-복굴절 렌즈 요소(7) 상에서 제2 부분 빔(5b)보다 덜 강하게 굴절되고, 이에 의해 마찬가지로 2개의 초점 구역(8a, 8b) 사이에 종방향 오프셋(Δz)이 생성된다. 그러나, 도 2b에 도시된 예시에서, 제1 부분 빔(5a)의 초점 구역(8a)은, 제2 부분 빔(5b)의 초점 구역(8b)보다 종방향(Z)으로 복굴절 렌즈 요소(4)로부터 더 멀리 이격되어 있다.

도 2c에 도시된 예시에서, 도 1a의 쐐기형 복굴절 편광기 요소(1a)가 입력 레이저 빔(3)의 빔 경로에서 복굴절 렌즈 요소(6) 바로 이후에 배치된다. 쐐기형 편광기 요소(1a)에 의해, 2개의 부분 빔(5a, 5b)의 초점 구역들(8a, 8b)의 부가적인 횡방향 오프셋(Δx)이 생성된다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 렌즈 요소(6, 7) 및 쐐기형 편광기 요소(1a)는, 회절 빔 스플리터 광학기기(9)를 또한 포함하는 광학 가공 시스템(10)의 일부이다. 광학 가공 시스템(10)은, 초단파 펄스 레이저 소스 형태의 레이저 소스(11)를 추가적으로 포함하는 레이저 가공 장치(13)의 일부이다. 레이저 소스(11)는, 도시된 예시에서 가우시안 빔 프로파일을 구비하며 그리고 광학 가공 시스템(10) 내로 진입하는 레이저 빔(12)을 생성한다. 회절 빔 스플리터 광학기기(9)에서, 레이저 빔(12)은, 예를 들어 서로 평행하게 정렬되고 복굴절 렌즈 요소(7)에 대한 각각의 입력 레이저 빔(3)을 형성하는 복수의 빔 번들로 분할된다. 도면을 단순화하기 위해, 2개의 부분 빔(5a, 5b)으로 분할된 단일 입력 레이저 빔(3)만이 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다.

도 2a에 도시된 예시에서, 회절 빔 스플리터 광학기기(9)는, 복굴절 렌즈 요소(6)의 이전에 진입측 초점 거리(f')의 거리에 배치된다. 복굴절 렌즈 요소(6)는, 이러한 경우, 광학 가공 시스템(10)의 포커싱 광학기기를 형성하고, 부분 빔들(5a, 5b)을 그들의 방출측 초점 거리(f)의 거리에 대략적으로 포커싱한다. 반면, 도 2b 및 도 2c에 도시된 예시에서, 포커싱은, 실질적으로 추가의 비-복굴절 렌즈 요소(7)에 의해 수행된다. 복굴절 렌즈 요소(6)는, (마찬가지로 도 2c에 도시된 쐐기형 편광기 요소(1a)와 같이) 추가의 렌즈 요소(7)로부터 진입측 초점 거리(f)의 거리에 대략적으로 배치되고, 이러한 추가의 렌즈 요소(7)는 복굴절 렌즈 요소(6)보다 명백히 더 큰 굴절력을 포함하며, 이에 따라 이하에서는 포커싱 렌즈 또는 포커싱 광학기기로도 또한 지칭된다. 복굴절 렌즈 요소(6), 쐐기형 편광기 요소(1a) 및 회절 빔 스플리터 요소(9)가 빔 경로에 배치되는 순서는 기본적으로 임의적이지만, 그러나 이들은 도 2c에 도시된 예시에서 일반적으로 포커싱 렌즈(7)로부터 진입측 초점 거리(f')의 거리에 대략적으로 배치될 수 있다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 광학 가공 시스템(10) 또는 레이저 가공 장치(13)의 도움으로, 2개의 부분 빔(5a, 5b)은, 적어도 부분적으로 중첩되는 2개의 인접한 초점 구역(8a, 8b) 내로 포커싱될 수 있다. 빔 스플리터 광학기기(9)에 의해, 편광기 요소(들)(1a, 6) 상에서 복수의 쌍의 부분 빔(5a, 5b)으로 분할되며 그리고 대응하는 쌍의 초점 구역(8a, 8b)으로 포커싱되는, 복수의 입력 레이저 빔(3)이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 부분적으로 중첩되는 초점 구역들(8a, 8b)로부터 연속적인 상호 작용 영역이, 공작물의 가공을 위해, 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 형성될 수 있다.

초점 구역들(8a, 8b)의 횡방향 오프셋(Δx)뿐만 아니라 종방향 오프셋(Δz)도 또한 생성할 수 있는 가능성으로 인해, 공간에서 또는 X-Z 평면에서 거의 모든 3차원 곡선을 설명하는 연속적인 상호 작용 영역이 형성될 수 있다. 특히, 연속적인 상호 작용 영역은, 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 종방향(Δz)으로 서로 오프셋되는 복수의 초점 구역(8a, 8b) 또는 부분 영역을 구비할 수 있다.

이하의 예시에서, 공작물의 레이저 가공은, 가공 경로를 따라 연속적인 상호 작용 영역을 이동시킴으로써, 즉 삭마 영역 또는 변형 영역을 형성하는, 서로에 대해 인접한 연속적인 상호 작용 영역의 누적을 통해 수행된다. 도면의 단순화를 위해, 이하의 예시에서는, 연속적인 상호 작용 영역의 이동을 위해 공작물의 직선 급송이 수행된다는 것이 가정된다. 일반적으로 가공 경로의 다른 임의의 급송 기하학적 구조/프로파일이 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 여기서 공작물뿐만 아니라, 광학 가공 시스템 또는 광학 가공 시스템이 그 내부에 배치되는 레이저 가공 헤드 또한, 이동될 수 있다.

진행 방향으로 서로 연속적인 변형 영역/삭마 영역에 대해, 입사 레이저 복사의 기하학적 구조, 예를 들어 레이저 복사의 빔 횡단면의 각도 범위는, 변형 영역/삭마 영역의 진행 방향으로의 정렬 시, 이전에 도입된 변형 또는 이전에 가공된 삭마 영역이 단지 후속 변형/삭마 영역의 형성에 중요하지 않은 영향만을 주도록 선택될 수 있다.

도 3a는 레이저 제거 공정 형태의 레이저 가공을 도시하고, 여기서 공작물 재료가, 플레이트 형상 공작물(23)의 상면(23A) 상에 포커싱되는 복수의 부분 빔(22)에 의해, 플레이트 형상 공작물(23)의 상면(23A)으로부터 제거되고, 여기서 선형의 연속적인 상호 작용 영역(25)이 형성된다. 상호 작용 영역(25)에서, 부분 빔들(22)이 포커싱되는 부분 영역들(25A)(초점 구역들)은, XYZ 좌표계의 X 방향으로 서로 교대로 상이한 편광 상태(예를 들어 s 또는 p)를 갖는 가운데 서로 나란히 정렬되고, 여기서 인접한 부분 빔들(25A)은 부분적으로 중첩된다. 교번하는 편광 상태(예를 들어 s 또는 p)는, 상호 작용 영역(25) 내의 밝은 영역과 어두운 영역을 통해 표시되며, 그리고 인접한 부분 빔들(22) 사이의 간섭을 방지한다.

도 3a에서, 레이저 복사의 전파 방향(종방향)에 대응하는, Z 방향으로의 부분 영역들(25A)의 오프셋은 존재하지 않는데, 즉 부분 영역들(25A)은 종방향(Z)에 대해 수직으로 정렬되는 (초점) 평면 내에 놓인다. 도 3a에 도시된 화살표(27)는, Y 방향으로 공작물(23)의 변위의 형태로 정렬 방향(X 방향)에 대해 횡방향으로의 상호 작용 영역(25)의 상대적인 이동을 예시한다. 선형 급송의 경우, 레이저 가공 도중에 연속적인 상호 작용 영역(25)의 폭 및 부분 영역들(25A)(즉, 초점 구역들)에서 부분 빔들(22)의 삭마 능력에 대응하는 깊이를 갖는, 제거된 스트립(29)이 생성된다.

도 3b는 또한, 재료가 플레이트 형상의 공작물(23')의 상면(23A)으로부터 제거되는 레이저 제거 공정의 형태로, 레이저 가공을 도시한다. 도 3a에서와 같이, 도 3b에서, 복수의 부분 빔(22')은 또한, 이러한 목적을 위해, 플레이트 형상 공작물(23) 상에 포커싱되고, 여기서 연속적인 상호 작용 영역(25)이 형성된다. 도 3a와는 대조적으로, 부분 영역들(25A')은, 횡방향(X 방향)으로 뿐만 아니라, 추가적으로 종방향(Z 방향)으로도 또한 오프셋되고, 도 3b에서는 예시적으로 V-자 형상으로 배치된다. Y 방향으로, 즉 상호 작용 영역(25)의 V-자 형상 프로파일을 통해 형성된 평면(도 3b에서 X-Z 평면)에 대해 횡방향으로의 공작물(23')의 상대적인 이동을 통해, 연속적인 상호 작용 영역(25)의 V-자 형상을 갖는 제거된 절단부(31)가 생성된다. 또한, 도 3b에 도시된 예시에서, 바로 인접한 부분 빔들(22')의 교번하는 편광 상태들(다시 밝은 영역과 어두운 영역으로 표시됨)은, 인접한 부분 빔들(22')의 간섭에 의해 영향을 받지 않는 균일한 제거를 발생시킨다. 도 3b에 도시된 제거된 절단부(31)를 생성하기 위해, 공작물(23')은, 복수의 서로 연속적인 제거 단계에서 Y 방향으로 변위될 수 있고, 여기서 연속적인 제거 단계들 사이에서, V-자 형상 프로파일을 갖는 상호 작용 영역(25)은 Z 방향으로 변위되는데, 즉 공작물(23') 상에서 계속 하강된다. 대안적으로 또는 추가적으로, V-자 형상 상호 작용 영역(25)의 기하학적 구조는, 레이저 제거 가공 도중에 변경될 수 있으며, 예를 들어 종방향(Z)으로 V-자 형상 상호 작용 영역(25)의 연장은, 점진적으로 확대될 수 있는데, 즉 V-자 형상 상호 작용 영역(25)은 연속적인 삭마 단계에서 점점 더 뾰족해진다. 도 3a 및 도 3b에서 제거 가공되는 공작물(23, 23')의 재료는, 예를 들어 금속 재료, 유리 재료 등일 수 있다.

도 4a는 입사 레이저 복사 또는 부분 빔(22")의 전파 방향(Z 방향)을 따라 공작물(23")의 상면(23A)으로부터 (투과성) 공작물(23") 내로 연장되는 플레이트 형상 공작물(23")의 재료의 구조적 변형을 생성하기 위한 레이저 가공을 도시한다. 이러한 목적을 위해, 연속적인 상호 작용 영역(25)은, (도 4a에서 Y 방향으로) 서로 나란히 진행되는, 복수의 부분 빔(22")의 부분적으로 중첩되는 세장형 부분 영역들(25A")(초점 구역)의 정렬에 의해 형성된다. 도 3a에서와 같이, Z 방향으로 부분 영역들(25A")의 오프셋이 존재하지 않는다. 교번하는 편광 상태들(s 또는 p)은, 다시 밝은 영역과 어두운 영역으로 표시되어 있다. 도 4a에는 예시적으로 부분 빔(22") 상으로의 적합한 위상 부여에 의해 발생되는 4개의 세장형 부분 영역(25A")이 도시되어 있으므로, 예를 들어 베셀 빔 또는 역 베셀 빔의 길게 연장된 초점 구역들 또는 부분 영역들(25A")이 형성된다. 길게 연장된 부분 영역들(25A")은, 예를 들어 액시콘 또는 회절 광학 요소를 포함할 수 있는, 광학 가공 시스템(10)의 빔 정형 광학기기에 의해 생성될 수 있다. 이러한 빔 정형 광학기기의 세부 사항에 대해서는, 위에서 인용된 DE 10 2019 205 394.7호가 참조된다. 공작물(23")의 체적 내에 구조적 변형을 또한 생성하기 위해, 이러한 공작물(23")은, 레이저 빔(12) 또는 레이저 빔(12)의 파장에 대해 투과성인 재료, 도시된 예시에서는 유리로 형성된다.

정렬 방향을 따라, 즉 Y 방향으로의 상대적인 이동 시, 단일 부분 영역(25A")의 폭을 갖는 좁은 스트립(33)의 재료 변형이 발생된다. Z 방향으로의 스트립(33)의 깊이는, 길게 연장된 초점 구역들 또는 부분 영역들(25A")의 길이에 의해 결정된다. 가공에 사용되는 부분 빔들(22)의 빔 횡단면을 표시하는 점선 반원을 통해, 도 4a에 도시된 바와 같이, 부분 빔들(22")은 바람직하게, 사전에 진행된 각도 부분 또는 각도 범위로 제한되므로, 진행되는 도중에 레이저 빔 및 이에 따른 상호 작용이 이미 생성된 변형에 의해 방해 받지 않는다. 공작물(23")의 재료의 구조적 변형은, 도시된 예시에서 미세 균열의 형성을 초래하며, 이는 변형된 스트립(33) 내의 유리 재료를 약화시킨다.

도 4b는 공작물(23")이 베이스(37) 상에 부분적으로 위치되거나 또는 배치되고, 공작물(23")의 위치되지 않은 측면 상에 힘(화살표 35)이 가해지는 방법을 도시한다. 변형 윤곽을 나타내는 변형된 스트립(33) 아래에서, 공작물(23")의 전체 두께를 통해 균열(39)이 형성되므로, 공작물(23")이 2개의 세그먼트로 분리된다.

도 5a는 플레이트 형상 공작물(57)의 (투과성) 재료에서 연속적인 상호 작용 영역(59)의 부분 영역들(59A)의 경사진, 굽은 또는 만곡된 정렬을 도시한다. 도 4a 및 도 4b에서와 같이, 공작물(57)을 통해 그 상면(57A)에서 하면(57B)까지 만곡된 방식으로 연장되는 연속적인 상호 작용 영역(59)에 의해, 재료 변형이 생성된다. 상호 작용 영역(59)의 인접한 부분 영역들 또는 초점 구역들(59A)은 부분적으로 중첩되므로, 공작물(57)과 상호 작용 영역(59)의 상대적인 이동(화살표 27)을 통해, 지속적으로 연속적인/중단되지 않는 굽은 변형 윤곽이, 변형 평면(61)의 형태로 재료 내에 형성된다.

도 5b는, 도시된 예시에서 변형 평면(61)의 영역에서 공작물(57)의 재료가 에칭 방식으로 제거되는, 에칭 탱크(63)(에칭 조) 내의 변형된 공작물(57)을 도시한다. 이는 도 4a 및 도 4b에서와 같이, 공작물(57)을 2개의 세그먼트로 분리하는 결과를 가져온다.

위에서 계속 설명된 변형 기반 분리 방법에서, 세그먼트의 분리는 직접적으로 또는 레이저 가공 이후에 자체적으로 수행될 수 있거나, 또는 추가의 공정을 통해, 예를 들어 도 4a, 도 4b와 관련하여 설명된 기계적 분리 공정, 도 5a, 도 5b와 관련하여 설명된 에칭 공정, 또는 도시되지 않은 열적 분리 공정에 의해, 유도될 수 있다.

위에서 계속 설명된 레이저 제거 또는 분리 가공 외에도, 위에서 계속 설명된 다중 스폿 배열의 도움으로 또는 (적어도) 하나의 연속적인 상호 작용 영역의 도움으로, 표면 가공이 수행될 수 있는데, 즉 레이저 복사 또는 레이저 가공 장치(13)가, 성형 공구 역할을 한다. 도 6a는 예시적으로 공작물(101)의 레이저 빔 진입측 가공을 도시하고, 도 6b는 공작물(107)의 레이저 빔 방출측 가공을 도시한다.

성형 공구로 연속적인 상호 작용 영역(다중 스폿 배열)에 의해 빔 진입측이 가공될 때, 제거 또는 국부적으로 변형시키는 방법이 주로 고려된다. 변형 방법에는, 예를 들어 국부적인 용융을 통한 연마 및 기존의 표면 응력의 활용이 포함된다.

도 6a는 공작물(101) 상에서 레이저 진입측의 삭마를 위한 다중 스폿 레이저 형상 절단의 사용을 도시한다. 공작물(101)의 상면(102)은, 선택적으로 제1 가공 단계에서 대략적으로 사전 구조화된다. 이는, 예를 들어 처리량이 최적화된 레이저 가공 공정에서, 감소된 정밀도로 수행될 수 있고, 대략적으로 구조화된 표면(102A)으로 이어지며, 이는 레이저 성형 공구의 도움으로 또는 레이저 가공에 의해 요구되는 자유형 표면(102B)으로 전환되도록 의도된다. 연속적인 상호 작용 영역(103)의 형태로 요구되는 자유형 표면(102B)에 맞춰진 다중 스폿 초점 곡선 또는 초점 라인은, (만곡된) 초점 라인(103)의 영역에서 공작물(101)의 재료를 제거할 수 있도록, 대략적으로 구조화된 상면(102A) 위의 정확한 위치로 전달되고, 그 위치에서 하강된다(화살표 105A). 전술한 바와 같이, 초점 라인(103)의 점 또는 원은, 상이한 편광 성분을 갖는 서로 인접하는 부분 영역들을 도시하므로, 인접한 부분 영역들 간의 간섭이 방지된다.

하강에 이어, 다중 스폿 초점 곡선 또는 상호 작용 영역(103)과 공작물(101) 사이에 상대적인 이동(화살표 105B)이 수행되므로, 상면(102)의 표면(102A)이 원하는 형상을 획득하게 된다. 또한, 선택적으로 표면(102B)의 거칠기는, 초점 라인의 방향(화살표 105C)으로 다중 스폿 초점 곡선(103)의 스폿의 오프셋을 통해 (예를 들어 공간광변조기(SLM: spatial light modulator) 제어 방식으로) 감소될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다중 스폿 초점 곡선 또는 상호 작용 영역(103)은, 거칠기를 감소시키기 위해 작은 각도 범위로 공작물(101)을 중심으로 전체적으로 회전될 수 있다. 추가적으로, 공정 파라미터는, 가공 공정 도중에 조정될 수 있고, 예를 들어 레이저 밀링 또는 제거 단계 후에 연삭(더 미세한 초점 라인) 및 그런 다음 연마(국부적인 용융)와 유사한 표면 품질을 달성할 수 있다.

도 6b는, 공작물(107)의 레이저 방출측, 즉 그 하면(108) 가공을 위한 다중 스폿 레이저 형상 절단의 사용을 도시한다. 가공 단계는 실질적으로 도 6a에 도시된 가공 프로세스와 유사하다(레이저 방출측 표면(108A)의 거친 구조화, 원하는 자유형 표면(108B)에 대응하는 다중 스폿 초점 라인 또는 다중 스폿 초점 곡선(109)의 형성, 다중 스폿 초점 곡선(109)의 상승 또는 경우에 따라서는 공작물(107)의 하강(화살표(105A'), 다중 스폿 초점 곡선(109)과 공작물(107)의 상대적인 이동의 수행(화살표 105B'), 선택적으로 거칠기 감소(화살표 105C')). 공작물(107)의 레이저 방출측(하면(108))의 가공은, 진입측(상면(102)) 및 공작물(107)의 체적의 대응하는 광학 품질을 갖는 공작물(107)의 투명도를 전제하고, 이에 따라 레이저 복사의 에너지는 진입측 표면 및 체적을 통해 공작물(107)의 레이저 방출측(108A)까지 가이드될 수 있다.

일반적으로 이러한 조건에서, 진입측과 유사한 가공 프로세스가 방출측에서 레이저 성형 공구에 의해 구현될 수 있으며, 여기서 전파에 영향을 미치는 공작물(107)의 체적 및 진입측 표면의 나머지 특성들은 빔 정형 시 고려될 수 있다. 레이저 성형 공구에 의해 높은 제거율로 설계된 후면 제거 방식의 가공 방법의 경우, 재료가 제거된 제품이 진입측 가공에서와는 달리, 빔 전파가 가공 구역까지 영향을 미치지 않는다는 점에서 유리하다.

또한, 레이저 가공 도중에 각각 서로 이격되어 있는 복수의 연속적인 상호 작용 영역이 또한 동시에 생성될 수 있다는 점이 언급되어야 한다. 예를 들어 동일한 상대적인 이동으로 인해 (예시적으로 공작물의 마킹을 위해 공작물의 내부에서) 평행하게 진행되는 재료의 복수의 변형 또는 삭마 영역이 동시에 형성될 수 있다.

삭마 또는 변형 기하학적 구조는, 레이저 빔 또는 부분 빔들(22, 22', 22")의 빔 정형에 의해 결정된다. 인접한 초점 구역들 또는 유효 영역들(25A, 25A', 25A")에서의 공간적 구배의 생성은, 적합한 광학기기 또는 광학 가공 시스템에 의해 수행될 수 있다. 펄스 그룹의 형성을 통해 또는 초단파 레이저 빔(12)의 펄스 정형을 통해 시간적 구배의 생성이 수행될 수 있다. 신속한 가공을 위해, 단일 레이저 펄스/단일 레이저 펄스 그룹으로 단일 삭마 또는 변형 기하학적 구조의 생성이 동시에 수행될 수 있으므로, 공작물 상에서의 위치는 이러한 경우 단지 한 번만 근접하게 된다.

Claims (18)

1. 공작물(23, 23', 23", 59, 101, 107)을 레이저 가공하기 위한 방법으로서,
   레이저 빔(12, 3)을, 2개의 상이한 편광 상태(s, p) 중 하나를 각각 구비하는, 복수의 부분 빔(22, 22', 22", 5a, 5b)으로 분할하는 단계,
   연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)의 적어도 부분적으로 중첩되는 복수의 부분 영역(25A, 25A', 25A", 59A) 내로의 상기 복수의 부분 빔(22, 22', 22")의 포커싱을 통해 공작물(23, 23', 23", 59, 101, 107)을 가공하는 단계
   를 포함하고,
   각각 상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 부분 빔들(22, 22', 22")은, 상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)의 인접한 부분 영역들(25A, 25A', 25A", 59A) 내로 포커싱되고, 상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)의 적어도 2개의 부분 영역(25A', 59A)은, 종방향(Z)으로 서로에 대해 오프셋되는 것인, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 빔(3)은, 상기 복수의 부분 빔(22, 22', 22", 5a, 5b)으로 분할될 때, 회절 빔 스플리터 광학기기(9) 및 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소(6, 1a)를 통과하는 것인, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 레이저 빔(3)이 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소(1a, 1b)에서 분할될 때, 상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 2개의 부분 빔(22, 22' 22", 5a, 5b) 사이에, 횡방향 오프셋(Δx) 또는 각도 오프셋(Δα) 중 적어도 하나가 생성되는 것인, 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 레이저 빔(3)이 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소에서 분할될 때, 상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 2개의 부분 빔(22, 22', 22", 5a, 5b) 사이에, 종방향 오프셋(Δz)이 생성되는 것인, 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)의 부분 영역(25A', 59A)은 횡방향으로의 추가 오프셋(Δx)을 구비하는 것인, 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)은 종방향(Z)으로 연장되는 만곡된 윤곽을 갖거나, 상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)은 한 평면에 놓이지 않는 것인, 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   레이저 가공 도중에, 상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109) 및 공작물(3, 59, 101, 107)은, 서로에 대해 상대적으로 이동되는 것인, 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 상호 작용 영역은, 공작물(23, 23', 101, 107)로부터 재료를 제거하기 위한 삭마 영역(ablation area)(25, 103, 109)을 형성하는 것인, 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 삭마 영역(25, 103)은, 공작물(23, 23', 101)의 진입측 표면(23A, 102) 상에 또는 공작물(107)의 방출측 표면(108) 상에 형성되는 것인, 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상호 작용 영역은, 공작물(23", 59)의 재료의 구조적인 변형을 위한 변형 영역(25, 59)을 형성하는 것인, 방법.
11. 제10항에 있어서,
    공작물(23", 59)은, 상기 구조적인 변형 이후에, 레이저 가공 도중에 공작물(23", 59)의 체적 내에 형성되는 변형 윤곽(33, 61)을 따라 분리되는 것인, 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔(12, 3)은, 펄스화된 레이저 빔인 것인, 방법.
13. 공작물(23, 59, 101, 107)을 레이저 가공하기 위한 광학 가공 시스템(10)으로서,
    레이저 빔(12, 3)을, 2개의 상이한 편광 상태(s, p) 중 하나를 각각 구비하는, 복수의 부분 빔(22, 22', 22", 5a, 5b)으로 분할하기 위한, 빔 스플리터 광학기기(9) 및 적어도 하나의 편광기 요소(6, 1a, 1b),
    연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)의 적어도 부분적으로 중첩되는 복수의 부분 영역(25A, 25A', 25A", 59A) 내로 상기 복수의 부분 빔(22, 22', 22")을 포커싱하기 위한, 포커싱 광학기기(6, 7)
    를 포함하고,
    상기 광학 가공 시스템(10)은, 상기 연속적인 상호 작용 영역(25, 59, 103, 109)의 인접한 부분 영역들(25A, 25A', 25A", 59A) 내로, 각각 상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 부분 빔들(22, 22', 22", 5a, 5b)을 포커싱하도록 구성되고,
    상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 2개의 부분 빔(22, 22', 22") 사이에 종방향 오프셋(Δz)을 생성하기 위한 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소를 포함하는 광학 가공 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 2개의 부분 빔(22, 22', 22") 사이에 횡방향 오프셋(Δx) 또는 각도 오프셋(Δα) 중 적어도 하나를 생성하기 위한, 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소(1a, 1b)를 구비하는 것인, 광학 가공 시스템.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상이한 편광 상태(s, p)를 갖는 2개의 부분 빔(22, 22', 22") 사이의 종방향 오프셋(Δz)을 생성하기 위한 상기 적어도 하나의 복굴절 편광기 요소는 복굴절 렌즈 요소(6)인 것인, 광학 가공 시스템.
16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 레이저 빔(12, 3)은, 펄스화된 레이저 빔인 것인, 광학 가공 시스템.
17. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 빔 스플리터 광학기기(9)는, 회절 빔 스플리터 광학기기인 것인, 광학 가공 시스템.
18. 레이저 가공 장치(13)에 있어서,
    제13항 또는 제14항에 따른 광학 가공 시스템(10), 및
    레이저 빔(12)을 생성하기 위한 레이저 소스
    를 포함하는 것인, 레이저 가공 장치.

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