KR20220110566A - 레이저 재료 가공을 위한 방법 및 레이저 가공 설비 - Google Patents

레이저 재료 가공을 위한 방법 및 레이저 가공 설비 Download PDF

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KR20220110566A
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요나스 클라이너
다니엘 플람
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

펄스 레이저 빔으로 재료(9)의 인접 섹션들(125A, 125B)의 순차적인 개질에 의해 적어도 부분적으로 투과성인 재료(109)의 레이저 재료 가공을 위한 방법으로서, 차폐 표면(115)을 형성하는 제1 개질(119, 143)을 생성하기 위해 제1 펄스 레이저 빔(103)으로 재료(109)를 가공하는 단계, 재료(109) 내로 조사 시, 일정한 각도로 제2 초점 구역 축(113')에 도달하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성되는 초점 구역(107')을 형성하는 재 2 펄스 레이저 빔(103')을 생성하는 단계 및 재료(109)의 제2 섹션(125B)에서 제2 개질(119')을 생성하기 위해 재료(109)에 대해 초점 구역(107')이 이동됨으로써, 제2 펄스 레이저 빔(103')으로 재료(109)를 가공하는 단계를 포함하고, 이 경우 일정한 각도로 제2 초점 구역 축(113')에 도달하는 레이저 방사선의 적어도 일부는 차폐 표면(115)에 부딪힌다. 차폐 표면(115)은 차폐 표면(115)에 부딪히지 않는 제2 펄스 레이저 빔(103')의 레이저 방사선의 일부와 차폐 표면(115)에 부딪히는 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의 일부의 보강 간섭을 방해하고 특히 억제할 수 있다.

Description

레이저 재료 가공을 위한 방법 및 레이저 가공 설비
본 발명은 펄스 레이저 빔으로 재료의 인접 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 적어도 부분적으로 투과성인 재료를 레이저 재료 가공하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저 가공 설비에 관한 것이다.
공작물은 일반적으로 공작물의 재료와 레이저 방사선의 공작물의 재료를 개질하는 상호 작용에 의해 가공될 수 있다. 레이저 방사선이 재료의 체적에 흡수되면(소위 체적 흡수), 레이저 방사선에 의해 국소화된 개질이 공작물의 재료에 및 공작물의 내부에 도입될 수 있다. 이 경우 공작물은 적어도 부분적으로 투과성인 재료로 구성된다.
일반적으로 공간적으로 규정된 체적 흡수는 비선형적으로 유도된 흡수를 이용함으로써 바람직할 수 있고, 이러한 흡수에서 재료 의존적인 (임계값-) 강도 이상에서만 재료와 레이저 방사선의 상호 작용이 이루어진다. 이 경우 재료는 일반적으로 낮은 선형 흡수를 갖는다. 여기에서 비선형적으로 유도된 흡수란, 주로 광의 직접적인 흡수에 기반하지 않고, 다광자- 및/또는 터널 이온화 유도 흡수에 기반하는 광의 강도 의존적 흡수로 이해된다. 따라서 비선형적으로 유도된 흡수는 일반적으로 시간적으로 제한된 레이저 펄스인 입사광과 상호 작용하는 동안 흡수의 증가에 기반한다. 이때 전자는, 충돌로 인해 더 많은 전자가 방출되고 전자 생성 속도가 재결합 속도를 초과할 정도로 많은 에너지를, 예를 들어 역방향 제동 복사를 통해 흡수할 수 있다. 눈사태처럼 증가하는 흡수에 필요한 시작 전자는 초기에 이미 존재할 수 있거나 이런 전자들은 예를 들어 기존의 (선형) 잔류 흡수에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, ns-레이저 펄스의 경우 초기 이온화는 온도 상승을 야기할 수 있으며, 이러한 온도 상승으로 인해 자유 전자의 수 및 후속 흡수가 증가한다. sub-ns-펄스 지속 시간에 시작 전자는 공개된 비선형 흡수 메커니즘의 예로서 다광자- 또는 터널 이온화에 의해 생성될 수 있다.
레이저 빔에 대해 투과성인 재료의 경우, 연장된 초점 구역에 재료의 개질을 형성하기 위해 체적 흡수가 이용될 수 있다(예를 들어 출원인의 WO 2016/079062 A1호 참조). 이러한 개질은 재료의 커팅, 드릴링 또는 구조화를 가능하게 할 수 있다. 커팅을 위해 예를 들어, 개질 내에서 또는 개질을 따라 파쇄를 일으키는 개질 물의 열이 생성될 수 있다. 또한 개질된 영역의 선택적 에칭(SLE: selective laser etching)을 가능하게 하는 커팅, 드릴링 및 구조화를 위한 개질을 생성하는 것이 공개되어 있다.
연장된 초점 구역은 예를 들어 아포다이즈드 베셀 빔[apodized Bessel rays; 본 명세서에서 준 베셀 빔(quasi-Bessel rays)이라고도 함]을 이용하여 생성될 수 있다. 연장된 초점 구역은 초점 구역 축을 따라 연장되며, 준 베셀 빔의 경우 초점 구역 축에 대해 일정한 각도로 진행하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성된다.
준 베셀 빔은 예를 들어 액시콘(axicon) 또는 공간 광 변조기(SLM; spatial light modulator) 및 가우스 빔 프로파일을 갖는 입사 레이저 빔으로 형성될 수 있다. 투과성 공작물로 후속 투영은 연장된 초점 구역에서 체적 흡수에 필요한 강도를 야기한다. 베셀 빔과 마찬가지로 준 베셀 빔은 일반적으로 원거리장(far field)에서 링형의 강도 분포를 갖는다. 초점 구역의 시작과 끝이 링형 강도 분포의 중심 영역을 (초점 구역의 축 근처에) 이루는 레이저 방사선의 보강 간섭에 기인하는지 여부에 따라, 규정된 시작을 갖는 초점 구역과 (종래의 준 베셀 빔) 규정된 끝을 갖는 초점 구역(역 준 베셀 빔) 사이가 구별된다. 또한, 강도 분포는 전파 방향으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 소위 균일화된(역) 베셀 빔에서 강도 변화는 조정(균일화)된다.
강도 프로파일은, 재료 내에 초점 구역 축을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로의 공간적으로 규정된 이행부가 생기는 방식으로 초점 구역 축을 따라 형성될 수 있다.
또한, 가우스형 빔 프로파일을 사용하여 전파 방향으로 공간적으로 제한된 개질이 생성될 수 있으며, 이는 언급된 연장된 초점 구역과 달리 점 형태로 간주될 수 있다.
본 개시의 양태는, 적어도 부분적으로 투과성인 재료를 여러 공작물로 커팅 시 형성된 커팅 에지 프로파일을 가능하게 하는 과제에 기초한다. 특히 상기 과제는, 투과성 재료의 가공 시 후가공 단계들을 줄이거나 단순화하거나 방지하는 것이다.
상기 과제 중 적어도 하나는 청구항 제1항에 따른 방법 및 청구항 제14항에 따른 레이저 가공 설비에 의해 해결된다. 개선예는 종속 청구항에 명시되어 있다.
일 양태에서 펄스 레이저 빔으로 재료의 인접 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 적어도 부분적으로 투과성인 재료를 레이저 재료 가공하는 방법이 개시된다. 방법은 다음 단계들을 포함한다.
재료 내로 조사 시, 제1 초점 구역을 형성하는 제1 펄스 레이저 빔을 생성하는 단계,
제1 개질을 생성하기 위해 제1 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하는 단계로서, 재료의 제1 섹션을 개질하기 위해 제1 초점 구역은 재료에 대해 이동되어, 제1 개질이 차폐 표면을 형성하고,
재료 내로 조사 시, 제2 초점 구역 축을 따라 연장되어 형성되고 일정한 각도로 제2 초점 구역 축에 도달하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성되는 제2 초점 구역을 형성하는 제2 펄스 레이저 빔을 생성하는 단계, 및
재료의 제2 섹션에서 제2 개질을 생성하기 위해 재료에 대해 제2 초점 구역이 이동됨으로써, 제2 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하는 단계를 포함하고, 이 경우 일정한 각도로 제2 초점 구역 축에 도달하는 레이저 방사선의 적어도 일부는 차폐 표면에 부딪힌다.
추가 양태에서, 펄스 레이저 빔으로 재료의 인접 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 적어도 부분적으로 투과성인 재료를 가공하는 레이저 가공 설비가 개시된다. 레이저 가공 설비는 재료 내로 조사 시, 선택적으로 가우스 초점 구역으로서 또는 제1 초점 구역 축을 따라 연장된 초점 구역으로서 형성되고, 제1 초점 구역의 시작 및/또는 끝에 재료 내에 제1 초점 구역 축을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성하는 강도 증가를 형성하는 제1 초점 구역을 형성하는 제1 펄스 레이저 빔을 생성하기 위한 그리고 재료 내로 조사 시, 제2 초점 구역 축을 따라 연장되어 형성되고, 제2 초점 구역 축에 대해 일정한 각도로 진행하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성되는 제2 초점 구역을 형성하는 제2 펄스 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 빔 소스를 포함한다. 레이저 가공 설비는 또한 공작물로서 재료를 보관하기 위한 공작물 보관 유닛 및 여기에 개시된 방법을 수행하도록 설계된 제어 유닛을 포함한다. 레이저 가공 설비는 재료와 제1 펄스 레이저 빔 및 제2 펄스 레이저 빔의 초점 구역 사이의 상대 이동을 수행하도록 및 차폐 표면에 대해서 제2 펄스 레이저 빔이 정렬을 위해 설계된다.
일부 실시예에서, 제2 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하는 동안 제2 초점 구역 축은 각각의 경우에 차폐 표면(115) 뒤에서 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의 보강 간섭이 방해를 받아서, 특히 억제되어, 제2 펄스 레이저 빔(103')이 차폐 표면(115)까지만 제2 개질(119')을 형성하도록, 차폐 표면에 대해 정렬될 수 있다. 선택적으로, 제2 펄스 레이저 빔의 일부만이 차폐 표면에 부딪힐 수 있으므로, 차폐 표면에 부딪히지 않는 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의 일부와 차폐 표면에 부딪히는 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의 보강 간섭은 방해를 받아서, 특히 억제되어, 제2 펄스 레이저 빔은 차폐 표면까지(만) 제2 개질을 형성하고, 제2 섹션은 바람직하게 제1 섹션 내로 통한다. 특히 제2 초점 구역 축은 차폐 표면에 접하거나 차폐 표면을 통과할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 초점 구역은 제1 초점 구역 축을 따라 연장되어 형성될 수 있고 제1 초점 구역의 시작 및/또는 끝에서 강도 증가를 형성할 수 있으며, 이러한 강도 증가는 재료에서 제1 초점 구역 축을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성한다. 차폐 표면은 재료에서 공간적으로 규정된 이행부에 의해 제한될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 규정된 이행부는 재료를 통과하는 차폐 에지일 수 있다. 또한 제2 초점 구역은, 제2 초점 구역 축이 차폐 에지 근처에서 또는 차폐 에지를 통해 또는 차폐 에지 주위로 연장되는 공간 영역에서 또는 차폐 표면을 통해 연장되는 방식으로 재료에 대해 이동될 수 있다. 제2 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하는 동안 제2 펄스 레이저 빔은, 제2 초점 구역이 각각의 경우에 차폐 표면 내로 통하는 방식으로 및/또는 제2 초점 구역 축은 차폐 에지를 통과하는 방식으로 정렬될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 제1 초점 구역에서 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로의 이행부는, 이행부가 1 ㎛내지 200 ㎛, 일반적으로 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위의 길이에 걸쳐 초점 구역 축을 따라 연장되는 방식으로 공간적으로 제한될 수 있다.
일부 실시예에서 제1 펄스 레이저 빔 및/또는 제2 펄스 레이저 빔은, 제1 초점 구역 및/또는 제2 초점 구역(107')이 적어도 10:1의 종횡비를 갖는 방식으로 및/또는 제1 초점 구역 및/또는 제2 초점 구역이 초점 구역에 걸쳐 개질을 야기하는 강도 분포의 측방향 범위의 50% 이하, 예를 들어 20% 이하 또는 10% 이하의 최대 변경을 갖는 방식으로 생성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 제1 펄스 레이저 빔 및/또는 제2 펄스 레이저 빔은, 제1 초점 구역 및/또는 제2 초점 구역의 축방향 범위가 시작에서 및/또는 끝에서 입사 레이저 빔의 위상 변조에 의해 결정되는 방식으로 생성될 수 있고, 이 경우 위상 변조는 베셀 빔 초점 구역을 형성하도록 설계되고, 특히 입사 레이저 빔에 방사방향으로 변하는 액시콘 위상 기여를 부여하고, 위상 변조는 방사방향 영역으로 제한되고, 선택적으로 입사 레이저 빔은 방사방향 내측에 있는 영역 및/또는 방사방향 외측에 있는 영역에서 방사방향 영역으로 제한하기 위해 빔 다이어프램과 상호 작용하고, 특히 진폭 다이어프램으로 차단되거나 위상 다이어프램으로 산란되고, 또는 선택적으로 입사 레이저 빔은 방사방향 영역에만 형성된다.
일부 실시예에서, 제1 초점 구역은 가우스 레이저 빔으로 형성될 수 있으므로, 제1 개질의 기하학적 형상은 가우스 초점 구역에 대응하고, 재료에서 제1 개질은 래스터에 배치되고, 래스터는 차폐 표면을 형성한다. 이 경우 제2 초점 구역은, 제2 초점 구역 축이 차폐 표면을 통해 또는 차폐 표면 주위로 연장되는 공간 영역에서 또는 차폐 표면의 가장자리 영역에서 연장되는 방식으로, 재료에 대해 이동될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 펄스 레이저 빔은 재료 내로 조사 시 제2 초점 구역의 시작에서 강도 증가를 형성할 수 있으며, 이러한 강도 증가는 재료에서 제2 초점 구역 축을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성하여, 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 펄스에 의해 개질된 재료 영역이 추가 차폐 표면을 형성하고, 상기 차폐 표면은 재료에서 공간적으로 규정된 이행부에 의해 제한되며, 이 경우 공간적으로 규정된 이행부는 재료를 통과하는 추가 차폐 에지이다. 또한 이 방법은 다음 단계들을 포함할 수 있다:
재료 내로 조사 시, 제3 초점 구역 축을 따라 연장되어 형성되고 제2 초점 구역 축에 대해 일정한 각도로 진행하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성되는 제3 초점 구역을 형성하는 제3 펄스 레이저 빔을 생성하는 단계, 및
재료의 제3 섹션을 개질하기 위해, 제3 초점 구역 축이 추가 차폐 에지 근처에서 또는 추가 차폐 에지를 통해 연장되는 방식으로 제3 초점 구역이 재료에 대해 이동됨으로써, 제3 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하는 단계.
일부 실시예에서, 제1 섹션과 제2 섹션은 적어도 부분적으로 재료 내에 커팅 윤곽 표면을 형성할 수 있다. 또한 방법은 다음을 포함할 수 있다: 커팅 윤곽 표면을 따라 재료를 커팅하는 단계로서, 특히 제1 섹션 또는 제2 섹션은 긴 모따기 또는 미세 모따기의 형성을 야기하고 및/또는 제1 섹션과 제2 섹션은 재료 내에 오목부의 형성을 야기한다. 예를 들어, 제2 섹션은 차폐 표면으로 이어지는 연결 표면을 규정할 수 있으므로, 재료가 2개의 부분으로 커팅된 후에 상기 부분들 중 하나에는 공간적으로 규정된 이행부를 따라 에지가 형성된다.
일부 실시예에서, 제2 펄스 레이저 빔 및 선택적으로 제1 펄스 레이저 빔은 준 베셀 빔형의 빔 프로파일을 가질 수 있으며, 이러한 빔 프로파일에서 특히 입사 레이저 방사선의 중앙 영역만이 연장된 초점 구역의, 하향 빔에 위치한 끝에 기여한다. 또한, 제2 펄스 레이저 빔 및 선택적으로 제1 펄스 레이저 빔은 역 준 베셀 빔형의 빔 프로파일을 가질 수 있으며, 이러한 빔 프로파일에서 특히 입사 레이저 방사선의 중앙 영역만이 연장된 초점 구역의 하향 빔에 위치한 끝에 기여한다.
레이저 가공 설비의 일부 실시예에서, 제어 유닛은 공작물 보관 유닛에 대해서 초점 구역의 위치, 특히 연장된 초점 구역의 끝의 위치를 조절하도록 및/또는 레이저 빔의 파라미터를 조절하도록 설계될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 레이저 빔 소스는 또한, 비선형 흡수에 의해 재료를 개질하는 레이저 방사선을 생성하도록 설계될 수도 있다.
레이저 가공 설비는 빔 형성 부재를 가진 광학계를 더 포함할 수 있으며, 상기 빔 형성 부재는 입사 레이저 방사선에 횡단 위상 변화를 부여하도록 설계된다. 특히, 광학계는 적어도 10:1의 종횡비 및/또는 50% 이하 범위의 초점 구역에 걸친 강도 분포의 측방향 범위의 최대 변경을 갖는 연장된 초점 구역을 생성하도록 설계될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 광학계는 레이저 빔의 중앙 영역만이 연장된 초점 구역의 상향 빔 또는 하향 빔에 위치한 끝에 기여하는 연장된 초점 구역을 형성하도록 설계될 수 있다.
개질 섹션의 시작 또는 끝을 위한, 특히 개질 섹션을 형성하는 개질에 의해 차폐 에지의 형성을 위한 공간적으로 규정된 이행부는 초점 구역에서 신속한 강도 증가 또는 감소에 의해 얻어질 수 있다. 특히, 신속한 강도 증가/-감소는 개질의 공간적으로 잘 규정된 시작 또는 공간적으로 잘 규정된 끝을 야기할 수 있고, 이는 비선형 흡수- 및 개질 공정에 의해 지원될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 개질의 "엄격한" 시작/ "엄격한" 끝을 형성하거나 인접한 개질 섹션들에서 이들을 서로 매칭하는 것은 어려울 수 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 이행부의 형성을 위해 준 베셀 빔의 초점 형성 시 간섭의 양태가 이용된다. 따라서, 기재된 개질 평면의 하향 빔에서 개질의 형성 시 보강 간섭을 억제하기 위해, 차폐를 위해 이전에 기재된 개질 평면이 이용될 수 있음이 파악되었다.
여기에 개시된 개념은 특히 지저분한 후가공 단계가 없는 레이저 가공과 같은 장점들을 가능하게 할 뿐만 아니라 연삭 공정을 이용하는 성형 방법과 달리 매우 신속한 성형 방법을 가능하게 한다.
선행 기술의 적어도 부분적인 양태를 개선할 수 있는 개념이 여기에 개시된다. 특히, 도면을 참조하여 실시예의 하기 설명으로부터 추가적인 특징 및 그 합목적성이 제시된다.
도 1은 재료 가공을 위한 레이저 가공 설비의 개략도를 도시하고,
도 2는 평판-레이저 가공 설비의 개략적인 3D-도를 도시하고,
도 3 내지 도 6은 다양한 유형의 준 베셀 빔에 기반하는 연장된 초점 구역에서 강도 분포의 개략도를 도시하고,
도 7a는 제1 가공 단계를 설명하기 위한 다이어그램을 도시하고,
도 7b는 제2 가공 단계를 설명하기 위한 다이어그램을 도시하고,
도 7c는 제2 가공 단계를 설명하기 위한 추가 다이어그램을 도시하고,
도 7d는 결과적인 개질을 설명하기 위해 제2 가공 단계가 수행된 후 재료의 단면을 도시하고,
도 7e는 도 7d에서 설명된 개질을 따라 재료가 커팅된 후에 얻어지는 공작물의 개략도를 도시하고,
도 8은 본 발명에 따라 초점 구역이 서로 매칭되지 않은 예시적인 공작물의 개략도를 도시하고,
도 9는 2개의 가공 단계의 대안적인 시퀀스를 설명하기 위한 다이어그램을 도시하고,
도 10a는 연장된 초점 구역에 의한 3개의 가공 단계의 시퀀스로 재료 가공을 설명하기 위한 다이어그램을 도시하고,
도 10b는 연장된 초점 구역에 의한 2개의 가공 단계와 가우스 빔 초점 구역에 의한 하나의 가공 단계로 재료 가공을 설명하기 위한 다이어그램을 도시하고,
도 11은 베셀 빔 초점 구역의 시작, 끝 및 길이의 조절 가능성을 설명하기 위한 다이어그램을 도시한다.
여기에 설명된 양태들은 부분적으로, 초점 구역 내에서 초점 구역 축을 따른 강도가 일반적으로 비교적 완만하게 상승하고 다시 하강하는 경우에, 상이한 개질의 시작점 및 종료점의 정확한 병치가 가능하지 않다는 인식에 기초한다. 발명자들은, 수렴하는 빔 성분들의 보강 간섭에 의해 형성되는 초점 구역에서, 이전에 생성된 개질이 간섭에 영향을 미칠 수 있음을 파악하였다. 따라서 특히 개질된 재료로부터 개질되지 않은 재료로 공간적으로 신속한 이행부에서 하나의 빔 성분만이 이전에 생성된 개질에 의해 영향을 받을 수도 있으며, 그 결과 간섭이 감소하거나 방지될 수 있다. 요약하면, 하나의 개질은, 다른 개질의 형성을 공간적으로 제한하는 데 이용될 수 있다.
여기에 설명된 양태들은 부분적으로 또한, 연장된 초점 구역 내로 측방향 에너지 공급은 보강 간섭에 영향을 미치는 차폐 효과에 의해 능동적으로 억제될 수 있다는 사실에 기초한다.
이러한 인식으로 얻어지는 시스템과 방법은 특히 투과성의 깨지기 쉬운 단단한 재료를 고속으로 절단 에지의 우수한 품질의 커팅을 가능하게 할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 아래에서 기본 광학계가 일반적으로 설명된다. 이어서, 펄스 레이저 빔으로 재료의 인접 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 적어도 부분적으로 투과성인 재료를 레이저 재료 가공하는 것의 예시적인 실시예가 설명된다(도 7a 내지 도 10b 참조). 도 11은 위상 부여 영역에서 빔 다이어프램에 의한 연장된 초점 구역의 축 방향 범위의 영향을 추가로 설명한다.
도 1은 레이저 빔 소스(1A) 및 제1 초점 구역 축(5)을 따라 연장되어 형성된 초점 구역(7)을 가공할 재료(9) 내에 생성하기 위한 목적으로 빔 소스(1A)의 레이저 빔(3)의 빔 형성을 위한 광학계(1B)를 구비한 레이저 가공 설비(1)의 개략도를 도시한다. 레이저 가공 설비(1)는 빔 정렬 유닛 및 공작물 보관 유닛(도 1에 명시적으로 도시되지 않음)을 더 구비할 수 있다.
일반적으로 레이저 빔(3)은 파장, 스펙트럼 폭, 시간적 펄스 형상, 펄스 그룹의 형성, 빔 직경 및 편광과 같은 빔 파라미터에 의해 결정된다. 일반적으로, 레이저 빔(3)은 레이저 빔 소스(1A), 예를 들어 초단 펄스 고출력 레이저 시스템에 의해 생성되는 횡방향 가우스 강도 프로파일을 갖는 시준된 가우스 빔일 것이다. 광학계(1B)는 가우스 빔으로부터 빔 프로파일을 형성하고, 상기 빔 프로파일은 연장된 초점 구역(7)의 형성을 가능하게 하고, 예를 들어, 일반적인 또는 역 베셀 빔형의 빔 프로파일이 빔 형성 부재(11)에 의해 생성되며, 상기 부재는 입사하는 레이저 방사선에 횡단 위상 변화의 특성을 부여하기, 예를 들어 중공 원추-액시콘으로서, 중공-액시콘-렌즈/거울 시스템으로서, 반사 액시콘-렌즈/거울-시스템으로서, 또는 특히 프로그래밍 가능하거나 영구 기록되는 회절 광학 소자로서, 특히 공간 광 변조기로서 설계될 수 있다. 광학계의 예시적인 구성에 대해, 전술한 WO 2016/079062 A1호가 참조된다.
연장된 초점 구역(7)은 여기에서 광학계(1B)에 의해 결정된 3차원 강도 분포와 관련되며, 이러한 강도 분포는 가공할 재료(9)에서 레이저 펄스/레이저 펄스 그룹과의 상호 작용 및 개질의 공간적 범위를 결정한다. 따라서 연장된 초점 구역(7)은 가공할 재료에 가공/개질에 관련된 임계 플루언스/-강도를 초과하는 플루언스(fluence)/강도가 존재하는 연장된 영역을 결정한다.
여기에서 재료의 투과성은 선형 흡수와 관련된다. 예를 들어, 임계 플루언스/-강도 미만의 광에 대해, "실질적으로" 투과성 재료는 예를 들어 개질의 길이에서 입사광의 20% 미만 또는 심지어 10% 미만을 흡수할 수 있다.
목표 임계 강도와 관련해서 3차원 강도 분포가 적어도 10:1, 예를 들어 20:1의 및 30:1 이상 또는 1000:1 이상의 종횡비 (초점 구역 축에 대해 가로 방향으로 측방향 범위에 대한 전파 방향의 범위) (축상 최대 직경) 에 의해 특징되면, 일반적으로 연장된 초점 구역에 대해 언급하는 것이다. 일반적으로, 이러한 종횡비에서 초점 구역에 걸친 개질을 야기하는 강도 분포의 측방향 범위의 최대 변경은 50% 이하, 예를 들어 20% 이하, 예를 들어 10% 이하의 범위일 수 있다.
이 경우, 연장된 초점 구역에서 에너지는 실질적으로 초점 구역의 전체 길이에 걸쳐 측방향으로 공급될 수 있다. 그 결과, 초점 구역의 초기 영역에서 재료의 개질은 하향 빔에서, 즉 예를 들어 초점 구역의 끝 영역에서 재료의 개질을 일으키는 방사선의 부분에 대한 차폐 효과는 없거나 거의 없다.
도 2는 재료 가공을 위한 레이저 가공 설비(21)의 예시적인 구조를 도시한다. 레이저 가공 설비(21)는 캐리어 시스템(23)(빔 정렬 유닛의 부분으로서) 및 공작물 보관 유닛(25)을 갖는다. 캐리어 시스템(23)은 공작물 보관 유닛(25) 위에 걸쳐 있으며, 예를 들어 도 2에 캐리어 시스템(23)의 상부 크로스 캐리어(23A)에 통합된 레이저 빔 소스를 지지한다. 또한, 광학계(1B)는 X 방향으로 이동 가능하게 크로스 캐리어(23A)에 부착될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 예를 들어 레이저 시스템은 자체적인 외부 빔 소스로서 제공될 수 있고, 상기 레이저 소스의 레이저 빔(3)은 광섬유에 의해 또는 자유 빔으로서 광학계으로 안내된다.
공작물 보관 유닛(25)은 X-Y 평면에서 연장되는 공작물을 지지한다. 공작물은 가공될 재료(9), 예를 들어 판유리 또는 사용되는 레이저 파장에 대해 대체로 투과성인, 예를 들어 사파이어 또는 실리콘과 같은 세라믹 또는 결정질로 구현된 판이다. 공작물 보관 유닛(25)은 캐리어 시스템(23)에 대해 Y 방향으로 공작물의 이동을 가능하게 하여, 광학계(1B)의 이동성과 함께 X-Y 평면에서 연장되는 가공 영역을 제공한다.
도 2에 따르면, 공작물에 대한 간격을 조절할 수 있기 위해, 예를 들어 광학계(1B) 또는 크로스 캐리어(23A)의 Z 방향으로 변위도 제공될 수 있다. Z 방향으로 진행되는 단면을 위해 레이저 빔은 일반적으로 Z 방향으로도(즉 법선으로) 공작물 방향으로 정렬된다[도 2의 초점 구역 축(5A)]. 도 2에 예를 들어 캔틸레버 장치(27) 및 추가 회전축(29)에 의해 도시된 추가 가공축은, 방사되는 레이저 빔 및 초점 구역 축을 공간에서 정렬하는 것을 가능하게 한다. X-Y 평면에 대해 기울어진 초점 구역 축(5B)은 도 2에 예시적으로 도시된다.
레이저 가공 설비(21)는 특히 사용자가 작동 파라미터를 입력하기 위한 인터페이스를 가진 제어 유닛(31)을 더 구비한다. 일반적으로, 제어 유닛(31)은 예를 들어 레이저 시스템의 해당 작동 파라미터, 예컨대 펌프 레이저 출력을 제어함으로써 레이저 가공 설비(21)의 전기, 기계 및 광학 부품들과 공작물 홀더를 제어하기 위한 부재들, 광학 소자(예를 들어 SLM)의 조절을 위한 파라미터 및 (예를 들어 초점 구역 축의 회전을 위해) 광학 소자의 공간적 정렬을 위한 파라미터를 포함한다.
본 개시 내용의 범위에서 이용될 수 있는, 예를 들어 초단파 펄스 레이저 시스템 및 연장된 초점 구역에 대한 예시적인 레이저 빔 파라미터는 다음과 같다:
펄스 에너지 Ep: 1 μJ 내지 20 mJ(예를 들어 20 μJ 내지 1000 μJ),
펄스 그룹의 에너지 Eg: 1 μJ 내지 20 mJ
파장 범위: IR, VIS, UV(예를 들어 2 ㎛ > λ > 200 ㎚; 예를 들어 1550 ㎚, 1064 ㎚, 1030 ㎚, 515 ㎚, 343 ㎚)
펄스 지속 시간(FWHM): 10 fs 내지 50 ns(예를 들어 200 fs 내지 20 ns)
작용 지속 시간(이송 속도에 따라 다름): 100 ns 미만(예컨대 5 ps - 15 ns)
듀티 사이클(레이저 펄스/펄스 그룹의 반복 시간에 대한 작용 시간): 5% 이하, 예를 들어 1% 이하
광학계에 입사 시 원시빔 직경 D(1/e2): 예를 들어 1 ㎜ 내지 25 ㎜
재료 내의 빔 프로파일(초점 구역)의 길이: 20 ㎛ 초과
가능한 한 짧은 방향으로 재료 내의 빔 프로파일의 최대 측방향 범위: 20 λ 미만
종횡비: 20 초과
예를 들어 커팅 용도의 인접한 2개의 개질 사이의 이송 속도 dv: 100 ㎚ < dv < 10 * 이송 방향으로 측방향 범위
작용 지속 시간 중 이송 속도: 예컨대 이송 방향으로 측방향 범위의 5% 미만
이 경우 펄스 지속 시간은 레이저 펄스와 관련되고, 작용 지속 시간은, 예를 들어 레이저 펄스 그룹이 재료와 상호 작용하여 한 위치에서 단일 개질을 형성하는 시간 범위에 대한 작용 지속 시간과 관련된다. 주어진 공급 속도와 관련해서 작용 지속 시간은 짧기 때문에, 모든 레이저 펄스 그룹은 한 위치에서 개질에 기여한다.
전술한 파라미터 범위는 예를 들어 최대 5 ㎜이상(일반적으로 100 ㎛ 내지 1.1 ㎜)의 재료 두께의 가공을 허용할 수 있다. 예시적인 레이저 가공 설비의 다른 세부 사항에 관해 전술한 WO 2016/079062 A1호가 참조된다.
일반적으로, 연장된 체적 흡수를 이용한 투과성 재료의 가공에는, 흡수가 이루어지는 즉시, 이러한 흡수 자체 또는 재료 특성의 결과적인 변화가 레이저 방사선의 전파에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 적용된다. 따라서 개질을 위해 추가로 하향 빔에서 이용되는 빔 성분들을 상호 작용 구역의 초점 구역 축에 대해 일정한 각도로 공급하는 것이 바람직하다. 이에 대한 예는, 반경에 비해 일반적으로 작은 링 너비를 갖는 링형 원거리장 분포가 존재하는 (종래의) 준 베셀 빔이다. 방사방향 빔 성분들은 상호 작용 구역/초점 구역 축에 실질적으로 상기 각도로 회전 대칭으로 공급된다. 역 준 베셀 빔과 균일화된 또는 변조된 (역) 준 베셀 빔과 같은 개질에도 동일하게 적용된다.
도 3은 연장된 초점 구역(7)에 존재할 수 있는 종방향 강도 분포(61)를 도시한다. 강도 분포(61)는 역 준 베셀 빔 형상에 대해 계산되었다. 정규화된 강도(I)는 Z방향으로 표시된다. 재료(9)에 (Z방향으로) 수직 입사에 따른 전파 방향은 필수가 아니며, 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이, 대안으로서 Z-방향에 대해 일정한 각도로 이루어질 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 3에서 최대 강도까지 수백 마이크로미터에 걸쳐 [가우스 입사빔의 낮은 (외부) 강도의 초기 중첩] 먼저 완만한 강도 증가(61A)에 이어 급격한 강도 감소(61B)[가우스 입사 빔의 높은 (중앙) 강도의 중첩]를 볼 수 있다. 역 베셀 빔 형상의 경우 전파 방향(도 4의 Z방향)으로 종방향 강도 분포(61)의 하드 리밋(hard limit)(확실한 끝)이 생긴다. 이러한 하드 리밋은, 종방향 강도 분포(61)의 끝이 입사 레이저 빔의 빔 중심의 기여에 기인하는 것이라는 사실에 기반한다. 역 베셀 빔 형상에 관한 추가 세부 사항에 대해 전술한 WO 2016/079062 A1호가 참조된다.
도 4는 도 3에 도시된 종방향 강도 분포(61)에 대해 초점 구역(7)의 강도의 예시적인 X-Z 단면(63)을 도시한다. 도 4의 그레이스케일 표현은 컬러 표현을 기반으로 하므로, 초점 구역 중앙에서 강도/진폭의 최대값은 어둡게 표시되었다. 수 마이크로미터의 횡방향 범위에서 수백 마이크로미터에 걸쳐 초점 구역(7)의 연장 형성을 알 수 있다. 비선형 흡수의 임계값 거동에 의해 이러한 빔 프로파일은 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부와 함께 공작물 내에 명확하게 규정된 연장된 개질을 야기할 수 있다. 초점 구역(7)의 길쭉한 형상은 예를 들어 10:1 내지 1000:1, 예를 들어 20:1 이상, 예를 들어 50:1 내지 400:1의 종횡비, 즉 일반적으로 중심 최대치의 측방향 최단 방향으로 초점 구역의 길이 내에서 나타나는 최대 범위에 대한 상기 길이의 비를 갖는다.
또한, 전파 방향(Z-방향)으로 강도 수정이 이용될 수 있다. 이 경우 예컨대 종방향 플랫-탑(flat-top) 강도 프로파일(71)은, 도 5에 초점 구역(7)에서 예시적인 강도 분포(73)의 X-Z 단면과 함께 표시된 바와 같이, (도 4에서 예컨대 Z-방향으로 약 200 ㎛의 길이 범위) 자유롭게 선택 가능한 길이에 걸쳐 생성될 수 있다.
Z-방향으로 강도의 균일화를 위해 회절 광학 소자들은 입사하는 입력 강도 프로파일을 통해 디지털화 및 예를 들어 픽셀 기반 위상 조정을 수행할 수 있다. 역 준 베셀 빔 형상의 강도 변화로부터 시작해서, 예를 들어 도 5에 도시된 종방향 플랫-탑 강도 프로파일(71)이 초점 구역(7)에 생성될 수 있다. 이를 위해 출력 강도 프로파일에서 강도 기여분이 베셀 빔의 강도 최대값과 테일(tail)을 형성하는 영역으로부터 제거되고, 추후에 초점을 맞출 때 (테일로부터 균일화된 영역으로 출력 이동에 의해) 강도 증가(71A)와 강도 감소(71B)가 공간적으로 단축되도록, 위상 변동에 의해 방사방향으로 재분배될 수 있다.
도 5는 강도 증가 영역(71A)에서 20%에서 80%로 수십 ㎛의 최대 강도의 증가를 도시한다. 비선형 흡수와 함께 이와 같이 재료에서 제1 초점 구역 축을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부가 생성될 수 있다.
이와 같이 개질된 역 준 베셀 빔형의 빔 형상의 경우에도 개질의 끝은 빔 전파 방향으로 위치가 실질적으로 고정적인데, 그 이유는 이러한 위치는 입사하는 레이저의 빔 중앙을 통해 에너지를 공급받기 때문이다.
도 6은 (종래의) 준 베셀 빔의 Z-방향으로 종방향 강도 분포(81)를 나타낸다. 시작부터 급격한 증가(81A) 후에 강도 최대값에 도달하고, 상기 최대값부터 강도가 다시 감소한다. 낮은 강도에서 서서히 점진적인 감소(81B)가 (작은 기울기의 점진적인 감소)가 시작된다. 도 3의 종방향 강도 분포(61, 81)의 기본적인 반전을 알 수 있고, 이러한 반전 시 "하드 리밋"은 "하드 스타트"로 대체된다.
그러한 준 베셀 빔의 경우, 예를 들어 가우스 빔 프로파일로 입사하는 레이저 빔으로 액시콘을 조사하면 초점 구역 축을 따라 보강적으로 겹치는 (간섭) 빔 영역이 생긴다. 먼저 가우스 빔 프로파일의 중앙 영역 강도의 중첩(보강 간섭) 후에, 가우스 빔 프로파일의 낮은 (외부) 강도의 중첩(보강 간섭)이 이루어진다.
도 6은 또한 도 5와 유사하게, 개질된 (종래의) 준 베셀 빔의 Z-방향으로 종방향 플랫-탑 강도 프로파일(91)을 도시하며, 상기 빔의 강도는 초점 구역을 따라 균일화되었다. 도 6은 수 마이크로미터의 최대 강도의 80%에서 20%로 감소를 다시 도시한다. 비선형 흡수와 함께, 개질된 재료로부터 비개질된 재료로 공간적으로 잘 규정된 이행부가 재료에 제1 초점 구역 축을 따라 생성될 수 있다.
베셀 빔 형상, 특히 빔 균일화에 대한 추가 세부 사항에 대해 출원인의 WO 2016/079275 A1호가 참조된다.
이와 관련해서 준 베셀 빔의 연장된 초점 구역의 시작 및/또는 끝을 조절하기 위한 도 11에 설명된 방법이 참조된다.
이와 관련해서 준 베셀 빔의 연장된 초점 구역의 시작 및/또는 끝을 조절하기 위한 도 11에 언급된 설명이 추가로 참조된다.
도 11과 관련하여 전술한 바와 같이, 펄스 레이저 빔이 생성될 수 있으며, 이러한 레이저 빔은 부분적으로 투과성인 재료 내로 조사 시 초점 구역을 형성할 수 있고, 상기 초점 구역은 초점 구역 축을 따라 연장되어 형성되고 (초점 구역 축을 따른) 초점 구역의 시작 및/또는 끝에 강도 증가/-감소를 형성하고, 이러한 강도 증가/-감소는 재료 내에 초점 구역 축을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 및 역으로도 특히 공간적으로 잘 규정된 이행부를 생성한다. 이행부는 1 ㎛ 내지 200 ㎛, 일반적으로 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위의 길이에 걸쳐 초점 구역 축을 따라 연장될 수 있다.
추가로 또는 대안으로서, 펄스 레이저 빔은 초점 구역의 축에 대해 일정한 각도로 진행하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 초점 구역을 형성할 수 있다.
적어도 부분적으로 투과성인 재료의 레이저 재료 가공은 도 7a 내지 도 7c와 관련하여 아래에서 설명되는 여러 단계에서 이러한 펄스 레이저 빔(및 연장된 초점 구역)으로 재료의 인접 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 이루어질 수 있다. 도 10b와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 모든 섹션이 이러한 연장된 초점 구역을 야기하는 레이저 빔으로 생성될 필요는 없지만, 섹션들은 또한 국소화된, 예를 들어 가우스 초점 구역으로도 형성될 수 있다.
예를 들어, 재료를 2개의 부분으로 커팅하기 위한 가공이 설명되며, 부분들 중 하나에는 커팅면을 형성하는 한면 모따기가 제공되어야 한다. 이는 수직 및 이에 대해 지정된 개질의 도입에 의해 수행된다.
도 7a는 예를 들어 액시콘-광학 수단으로 생성된 (역) 베셀 빔 프로파일을 갖는 펄스 레이저 빔(103)으로 재료(109) 내에 연장된(제 1) 초점 구역(107)이 생성될 수 있는 방법을 개략적인 단면도로 도시한다. 도 7a에 또한 X-Y 평면에 있는 링형 횡방향 강도 분포(강도 링)로서 베셀 빔 프로파일이 개략적으로 도시된다. 레이저 빔(103)의 전파 방향(111)은 Z-방향으로 재료(109)의 상부면(109A)에 대해 수직으로 연장된다. 화살표(110)로 도시된 바와 같이, 강도 링은 재료(109) 내에서 일정한 각도(α)로 초점 구역 축에 도달하므로, 다양한 방사방향 구역들이 서로 간섭할 수 있다. 따라서 다양한 방사방향 구역들의 보강 간섭으로 인해 연장된 초점 구역(107)이 초점 구역 축(113)을 따라, 예를 들어 회전 대칭으로 재료(109) 내에 형성된다.
레이저 방사선의 강도는, 체적 흡수에 의해 도시된 초점 구역(107)에 대응하는 영역에서 재료(109)의 개질이 이루어지도록 선택된다.
초점 구역(107)의 위치는, 초점 구역(107)의 시작(107A)이 재료(109) 내부에 놓이도록 조절되어, 초점 구역 축(113)을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부가 생성된다. 특히, 베셀 빔 프로파일은, 재료(109)에 개질을 위한 명확한 시작점(시작; 107A)이 생기는 방식으로 변조될 수 있다. 초점 구역(107)의 끝(107B)은 예컨대 재료(109)의 하부면(109B)에서 끝난다.
초점 구역(107)이 예를 들어 재료(109)에 대해 Y-방향을 따라 이동되면, 재료의 제1 섹션이 개질된다. 펄스 레이저 빔(103)의 레이저 펄스의 경우에 서로 나란히 배치된 개질된 영역들(연장된 개질)이 재료(109) 내에 생긴다. 상응하게 표면에 생기는 재료(109)의 개질은 추후의 커팅에 이미 사용되며, 이러한 개질은 후속 가공 단계에서 레이저 방사선의 차폐에도 이용된다.
개질된 섹션은 이러한 의미에서 Y-Z 평면에서 연장되는 차폐 표면을 형성한다. 차폐 표면은 재료에서 Z-방향으로 공간적으로 규정된 이행부에 의해 제한되어, 공간적으로 규정된 이행부는 Y-방향으로 재료(109)를 통과하는 차폐 에지가 된다. 여기서 차폐는 레이저 방사선의 전파에 영향을 미치는 개질의 존재와 관련된다. 레이저 방사선의 전파에 영향을 미치기 위해, 특히 그렇지 않으면 발생하는 간섭에 대해서 위상 관계를 방해하기 위해, 차폐 표면은 광학 빔 경로 내로 (적어도 부분적으로) 돌출한다. 이러한 의미에서 차폐 표면은 또한 본 명세서에서 간섭 표면으로도 지칭될 수 있다.
도 7b는 제2 가공 단계에서 제2 표면 개질이 제1 표면 개질에 대해 각도 β로 재료(109) 내로 어떻게 도입될 수 있는지 도시한다. 각도 β는 달성할 커팅 표면의 원하는 모따기 각도에 해당한다.
도 7b의 단면도에서, 제1 표면 개질은 차폐 표면(115)으로서 도시된다. 도 7b는 또한 링형 강도 분포를 갖는 펄스 레이저 빔(103)을 도시하며, 이 경우 레이저 빔(103')은 이번에는 해당하는 각도로 재료(109)의 상부면(109A)에 입사한다. 해당 전파 방향(111')은 도 7b에 도시된다.
방사방향 빔 영역의 보강 간섭에 의해 연장된 초점 구역(107')이 초점 구역 축(113')을 따라 형성된다. 레이저 빔(103')의 빔 파라미터는, 차폐 표면(115)이 없을 때 차폐 표면의 위치를 벗어날 수 있는 초점 구역이 생길 수 있도록 선택될 수 있다. 다시 말해서, 펄스 레이저 빔(103)을 이용한 개질은 차폐 에지의 위치를 넘어서 연장될 수 있지만, 레이저 방사선의 전파는 이미 존재하는 차폐 표면(115)에 의해 영향을 받는다.
예를 들어, 제2 펄스 레이저 빔(103')은 [재료(109)를 가공하는 동안], 각각의 레이저 펄스마다 제2 초점 구역(107')이 차폐 표면(115) 내로 통하도록 및/또는 제2 초점 구역 축(113')이 차폐 에지(121)를 통과하거나 근처를 통과하도록 정렬될 수 있다.
초점 구역 축(113')과 차폐 표면(115) 사이의 교차점 이후에는 더 이상 보강 간섭이 발생하지 않는다. 따라서 연장된 초점 구역이 차폐 표면(115)을 넘어 계속되는 것이 저지되고, 재료(109) 내에 개질된 영역의 형성은 차폐 표면(115)에서 끝난다.
방해가 되는 간섭을 갖는 영역(117)의 형성은 도 7b에서 점선으로 표시된다. 이 영역(117)에는 베셀 빔 초점이 더 이상 형성될 수 없다.
도 7c에 도 5의 2차원 빔 프로파일에 대해 예시적으로 X-Z 평면 또는 Y-Z 평면에서의 단면도를 이용하여 간섭의 억제가 도시된다. 증가한 강도의 영역은 차폐 표면(115)에서부터 더 이상 보강 간섭에 의해 생성될 수 없는데, 그 이유는 베셀 빔 프로파일의 다양한 영역들 사이에서 위상 관계가 방해를 받았기 때문이다.
도 7c의 X-Z 단면도에 도시된 바와 같이, 상응하게 조기 종료된 강도 분포(73')가 초점 구역에 생긴다. 도 7c에 추가로 도시된 Y-Z 평면의 단면도는 차폐 표면(115)을 통해 연장된다. 예를 들어 개별 레이저 펄스에 의해 생성된 다수의 개질(119)이 개략적으로 도시된다. 각각의 개질(119)은 재료(109)의 하부면(109B)으로부터 개질되지 않은 재료로 공간적으로 규정된 이행부까지 연장된다. 이러한 이행부는 차폐 에지(121)의 경로를 결정한다. 도 7c에 기초하는 레이저 빔의 조정으로 제2 레이저 빔의 초점 구역 축(113')은 차폐 에지(121)의 영역에서 연장된다.
재료(109)에 대해 Y-방향으로 제2 초점 구역(107')이 이동되는 제2 펄스 레이저 빔(103)으로 재료(109)가 가공되면, 개질된 영역을 포함하는 재료(109)의 개질된 제2 섹션이 생성된다. 따라서 제2 섹션은 차폐 표면(115)으로 이어지는 연결 표면을 형성한다.
여기에 제시된 개념에 따르면, 제2 초점 구역 축(113')이 각각의 경우에 차폐 에지(121) 근처에서 또는 차폐 에지(121)를 통해 [특히 차폐 에지(121) 주위로 연장되는 공간 영역에서] 연장된다. 다시 말해서, 제2 펄스 레이저 빔으로 재료(109)를 가공하는 동안 제2 초점 구역 축은, 제2 펄스 레이저 빔(103')의 일부(123A)만이 차폐 표면에 부딪혀서, 차폐 표면(115)에 부딪히지 않는 제2 펄스 레이저 빔(103)의 레이저 방사선의 일부(123B)와 차폐 표면(115)에 부딪히는 제2 펄스 레이저 빔(103')의 레이저 방사선의 보강 간섭이 방해를 받도록 특히 억제되도록, 차폐 표면(115)에 대해 정렬될 수 있다. 그 결과 제2 펄스 레이저 빔(103')은 차폐 표면(115)까지만 개질된 재료를 형성하고, 제2 섹션은 제1 섹션 내로 통한다.
도 7d는 2개의 섹션(125A, 125B)으로부터 얻어지는 (전체) 개질 표면(125)의 과정을 단면도에 도시한다. 2차로 생성된 섹션(125B) 내의 개질은 먼저 생성된 섹션(125B)과의 교차점(127)에서 중단되고, 그 결과 재료(109)가 2개의 부분으로 커팅될 때 교차점(127)/차폐 표면을 벗어나는 균열 전파가 저지될 수 있다.
도 7e는 개질 표면(125)을 따른 커팅에 의해 생기는 부품 기하학적 형상을 갖는 공작물(129)을 예시적으로 도시한다. 공작물은 측면(129A)[제1 섹션(125A)에 의해 형성됨; 제1 섹션(125A)의 긴 개질(119)의 예시적인 경로는 점선으로 표시됨] 및 측면(129A)에 인접하는 모따기 표면(129B)[제2 섹션(125B)에 의해 형성됨; 제2 섹션(125B)의 긴 개질(119')의 예시적인 경로는 점선으로 표시됨]을 갖는다. 연속적으로 생성된 섹션들의 개질(119) 및 개질(119')은 서로 이어지지 않아도 되고, 서로 오프셋되어 조사될 수 있음이 참조된다.
공작물(129)과 달리, 도 8은 초점 구역이 본 발명에 따라 서로 조정되어 조사되지 않은 예시적인 공작물(131)의 개략적인 단면도를 도시한다. 공작물(131)의 경우, 측면(131A)으로부터 인접한 모따기 표면(131B)으로 이행부는 추후에 제거될 돌출한 잔여 재료(133)를 갖는다.
도 9, 도 10a 및 도 10b는 펄스 레이저 빔으로 재료의 인접한 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 생성될 수 있는 개질의 경로에 대한 추가 예를 도시한다.
도 9에서 2개의 가공 단계가 수행된다. 제1 단계에서, (제 1) 초점 구역이 재료(109)의 상부면(109A)으로부터 Z-방향으로 재료(109) 내로 돌출하도록 제1 펄스 레이저 빔이 재료(109)에 조사된다. 초점 구역 축을 따른 강도 분포는, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 종방향 플랫-탑 강도 프로파일(91)에 따라 형성된다. 따라서 초점 구역의 끝에서 강도의 급격한 감소가 생겨서, 초점 구역의 끝에서 개질된 재료로부터 개질되지 않은 재료로 공간적으로 규정된 이행부가 생성된다. 대안으로서, (제 1) 초점 구역의 미리 결정된 침투 깊이의 생성에 관해 도 11이 참조된다.
제2 단계에서, 도 7b와 관련하여서도 설명된 바와 같이, 펄스 레이저 빔의 조사가 이루어진다. 생성된 섹션(135A)은 도 7c와 관련하여 설명된 차폐 효과와 달리, 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의, 상부면 근처의 부분에 작용한다. 차폐는 또한, 개별 개질 [및 섹션(135B)]이 차폐 영역을 넘어서 생기지 않는 (동일한) 효과를 갖는다.
결과적으로, 개질 표면(135)에 의해 제한된 잔류 재료(137)가 재료(109)로부터 커팅된 후에, 섹션(135A, 135B)은 (전체) 개질 표면(135)을 따라 [(재료(109) 내 오목부의 예로서] 재료(109)의 상부면(109A)에 쐐기형 노치를 형성한다.
도 10a는 3개의 가공 단계의 연속에 의한 레이저 재료 가공을 나타낸다. 처음 2개의 섹션(139A 및 139B)의 생성에 관해, 도 7a 내지 도 7c의 설명이 참조된다. 그러나 섹션(139B)과 관련하여, 재료(109) 내부에 시작이 있고 상부면(109A)을 통해 재료 내로 침투하지 않는 초점 구역이 이용된다. 섹션(139B)에서 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성하기 위해, 예를 들어 도 5와 관련하여 설명된 균일화된 강도 분포가 다시 사용될 수 있다.
섹션(139B)의 시작을 재료(109)의 상부면(109A)과 연결하기 위해, 예를 들어 Z-방향으로 제3 펄스 레이저 빔이 조사되었으며, 이 경우 개질된 제2 섹션은, 제3 레이저 빔의 초점 구역 축이 관련 차폐 에지를 향해 상응하게 정렬되면, 차폐 표면으로서 작용할 수 있다.
Y-방향으로 제3 펄스 레이저 빔의 초점 구역이 이동함으로써, Z-방향으로 연장되는 제3 섹션(139C)이 생긴다. 섹션(139A-139C)은 (전체) 개질 표면(139)을 형성하며, 상기 표면의 경로는 분할 윤곽 표면을 결정한다.
(전체) 개질 표면(139)을 따른 커팅 후에, 경사진 단차를 갖는 공작물의 측면이 생긴다.
도 10b는 3개의 가공 단계의 연속에 의한 레이저 재료 가공을 나타낸다. 개질의 처음 및 마지막으로 도입된 섹션(141A 및 141C)의 생성에 관해 도 10a의 설명 및 섹션(139A 및 139C)이 참조된다.
베셀 빔 프로파일(베셀 레이저 빔)을 갖는 레이저 빔을 섹션(141A)에 도입한 후, 상응하게 국소화된 가우스 빔 초점 구역을 갖는 가우스 빔이 (이행부의) 섹션(141B)에 사용된다. 레이저 빔의 강도가 충분히 높으면, 실질적으로 가우스 빔 초점 구역의 기하학적 구조를 갖는 개질(143)이 재료(109)에 도입된다. 도 10b는 X-방향으로 개질(143)의 열을 도시한다.
재료(109)에 Y-방향으로도 해당 개질이 생성된다. 베셀 빔 초점 구역의 사용과 달리, 가우스 초점 구역을 갖는 차폐 표면(115)의 형성을 위해 가우스 레이저 빔의 적어도 2차원 스캐닝 이동이 필요하다. 가우스 초점 구역은 이미 2차원으로 길게 연장되는 베셀 빔 초점 구역과 달리 국소화되고, 거의 점 형태로 재료 구조의 개질을 일으킨다.
결과적으로, 개질(143)은 도 10b에 예시적으로 평면에 놓여 있고 섹션(141B)을 형성하는 래스터(145)를 형성한다. 래스터(145)의 평면은 예를 들어 재료(109)의 표면(109A)에 대해 평행하거나 작은 각도로 연장될 수 있다. 이는 예를 들어 베셀 빔 초점 구역으로 형성된 도 10a의 섹션(139B)에 대해서는 가능하지 않을 것이다. 래스터(145)가 "점 형태의" 가우스 빔 초점 구역에 의해 형성되기 때문에, 래스터(145)의 공간적 경로는 자유롭게 조절될 수 있으며, 이전에 생성된 초점 구역은 바람직하게는 초점 형성 시 레이저 빔에 영향을 미치지 않는다. 예를 들어 래스터(145)는 만곡된 또는 다중 곡선 평면을 형성할 수 있다.
도 10b의 예에서, 래스터(145)의 제1 가장자리(145A)는 섹션(141A)에 있는 개질의 시작 영역에 놓인다. 래스터(145)는 또한 섹션(141A)을 따라 X-Y 평면에서 스트립 형태로 연장되고 따라서 도 10b의 예에서 단차의 깊이를 규정한다.
래스터(145)를 재료(109)의 상부면(109A)에 연결하기 위해, 예를 들어 도 10a에서와 같이, Z-방향으로 펄스식 베셀 레이저 빔이 조사된다. 상기 레이저 빔은 이제 개질을 형성하고, 이 경우 베셀 레이저 빔의 초점 구역 축이 그에 따라 래스터(145)의 제2 에지(145B)와 정렬될 때, 제2 개질 섹션(141B), 즉 개질(143)의 래스터(145)는 차폐 표면으로서 작용한다.
베셀 레이저 빔의 초점 구역을 Y-방향으로 이동함으로써, 도 10a와 같이 Z- 방향으로 연장되는 제3 섹션(141C)이 생긴다. 섹션(141A-141C)은 (전체) 개질 표면(141)을 형성하며, 상기 표면의 경로는 계단 형태의 커팅 윤곽 표면을 결정한다. 제3 섹션(141C)의 커팅 평면은 베셀 빔 초점 구역의 형성에 필요한 간섭을 래스터(145)에 의해 억제함으로써 래스터(145)에 의해 형성된 제2 섹션(141B)의 분할 평면을 넘어 돌출하지 않는다.
(전체) 개질 표면(141)을 따라 커팅이 이루어진 후에, 90°단차를 갖는 공작물의 측면이 생긴다.
계속해서 도 11과 관련하여 베셀 빔으로 베셀 빔 초점 구역의 생성 시 융통성이 아래에서 설명된다. 베셀 빔 초점 구역은 실질적으로 일정한 강도 프로파일(도 6 참조)을 갖는 초점 구역 축(예를 들어 도 11에서 액시콘 축을 관통하는 Z-축)을 따라 연장된다.
도 11의 상부를 참조하면, 베셀 빔 초점 구역은 액시콘(151) 또는 액시콘의 위상 경로를 생성하는 공간 광 변조기로 생성될 수 있다. 도 11에서, 가우스 형상의 빔 프로파일(153A)(가우스 레이저 빔)을 갖는 입사 레이저 빔(153)이 액시콘(151)에 부딪힌다.
액시콘(151)의 방사방향으로 변하는 위상 기여로 인해, 액시콘(151)의 하향 빔에서 레이저 방사선은 빔 축에 도달해서, 초점 구역 축을 따라 방사방향으로 입사하는 레이저 방사선의 간섭이 발생할 수 있다. 따라서 이것은 초점 구역 축과 상이한 방사방향 간격을 갖는 영역들을 초점 구역 축을 따라 점차적으로 간섭한다.
도 11의 하부를 참조하면, 초점 구역 축을 따른 예시적인 강도 변화가 3개의 열로 도시된다. 액시콘에 의한 위상 부여 외에, 입사 레이저 빔(153)의 방사방향 영역에 영향을 미치기 위해, 환형 다이어프램이 사용된다.
이에 관해 링 다이어프램의 2개의 유형이 도 11에 도시된다. 도 11의 좌측은 진폭 다이어프램(155)의 사용에 관련되고, 도 11의 우측은 위상 다이어프램(157)의 사용에 관한 것이다. 이러한 링 다이어프램(155, 157)의 위치는 도 11의 상부에 액시콘(151)의 입사측(일반적으로 액시콘/위상 부여의 평면에서)에서 예시적으로 도시된다.
영향을 받지 않은 강도 분포(159)는 제1 열에서 볼 수 있다. 강도 분포는 액시콘(151)으로만 생성된다. 즉, 입사 레이저 빔의 진폭- 또는 위상 영향은 없다. 따라서 다이어프램(155, 157)은 단지 구경(Aperture)으로만 도시된다.
입사 레이저 빔(153)의 방사방향 영역이 차단되거나 [진폭 다이어프램(155)] 위상이 영향을 받는 경우 [위상 다이어프램(157)], 강도 분포는 초점 구역 축을 따라 변경된다. 이를 위해 다이어프램은 내부 영역(161)과 외부 영역(163)에서 활성화될 수 있다.
예컨대, 반경(RI)부터 액시콘(151)의 평면에서 액시콘(151)을 조사하는 레이저 빔(153)을 차단하면, 재료의 체적에서 개질은 매우 갑자기 종료될 수 있다. 제2 열에서 이는 진폭 다이어프램(155)의 외부 영역에 있는 검은색 링(163A)으로 표시된다. 이러한 외부 빔 영역이 차단되면, 베셀 빔 초점 구역은 관련된 종방향 평면(LI) [강도 프로파일(159A) 참조]에서 끝나는데, 그 이유는 여기서부터 보강 간섭을 간섭할 수 있는 초점 구역 축에 레이저 방사선이 더 이상 도달하지 않기 때문이다. 따라서 레이저 빔(153)으로 생성된 개질도 길이방향 평면(LI)에서 끝난다.
진폭 다이어프램(155) 대신에 반경(R1)부터 링형 빔 영역에 추가적인 가변 위상 기여를 하는 출력에 적합한 위상 다이어프램(157)이 사용되는 경우, 개질의 동일한 축방향 제한이 야기될 수 있다. 이는 도 11의 상부 영역에 산란 방사선(165)에 의해 도시되고, 이러한 방사선은 방사방향 외부 영역에서 위상 다이어프램(157)에 의해 생성된다. 도 11의 하부 영역의 제2 열에서 이는 다양한 위상 기여를 나타내도록 의도된 체스판 패턴-링(163B)에 의해 표시된다.
예컨대 액시콘(151)을 조명하는 레이저 빔(153)이 반경(R2)까지 액시콘(151)의 평면에서 차단되는 경우, 내부 영역(161)의 다이어프램을 이용하여 유사하게 재료의 체적 내에서 개질이 매우 갑자기 시작될 수 있다. 제3 열에서 이는 진폭 다이어프램(155)의 내부 영역에서 추가적인 중앙의 검은색 구역(161A)에 의해 도시된다. 거기에서 내부 빔 영역이 차단되면, 베셀 빔 초점 구역은 관련된 종방향 평면 (L2) [강도 프로파일(159B) 참조]에서 시작하는데, 그 이유는 여기에서만 레이저 방사선이 초점 구역 축에 입사하고 보강 간섭할 수 있기 때문이다. 따라서 종방향 평면(L2)에서 거기에서 비로소 레이저 빔(153)으로 생성되는 개질이 시작된다.
진폭 다이어프램(155) 대신에 반경(R1)까지 중앙 빔 영역에 추가적인 가변 위상 기여를 하는 출력에 적합한 위상 다이어프램(157)이 사용되는 경우, 개질의 동일한 갑작스러운 시작이 야기될 수 있다. 이것은 도 11의 상부 영역에도 내부 영역(161)의 산란 방사선(165)에 의해 설명된다. 도 11의 하부 영역의 제3 열에서 이는 가변 위상 기여를 나타내도록 의도된 체스판 패턴 영역(161B)에 의해 표시된다.
당업자는, 개질의 갑작스러운 시작이 갑작스러운 종료 없이도 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 이러한 방식으로 조명의 방사방향 범위를 설정하기 위해, 횡방향 플랫-탑 분포로 액시콘 평면을 조명할 수 있다.
다시 말해서, 제1 초점 구역(107) 및/또는 제2 초점 구역(107')으로부터 시작해서 입사 레이저 빔(153)의 위상 변조에 의해 시작 및/또는 끝에서 개질의 축방향 범위가 결정될 수 있으며, 이 경우 위상 변조는 베셀 빔 초점 구역을 형성하도록 설계되고, 특히 입사 레이저 빔(153)에 방사방향으로 변하는 액시콘 위상 기여가 부여되고, 위상 변조는 방사방향 영역으로 제한된다. 선택적으로, 입사 레이저 빔(153)은 방사방향 내부에 있는 영역(161) 및/또는 방사방향 외부에 있는 영역(163)에서 빔 다이어프램과 상호 작용할 수 있으며, 특히 진폭 다이어프램으로 차단되고 및/또는 위상 다이어프램으로 산란된다. 대안으로서 또는 추가로 입사 레이저 빔(153)은 방사방향 영역에만 형성될 수 있다.
또한, 축 방향으로 공간적으로 제한된 개질을 야기하고 경우에 따라서 인접하는 평면/표면에 이러한 제한된 개질을 제공하기 위해, 도 11에 도시되고 시작 및/또는 끝에서 전파 방향으로 제한된 초점 구역도 이용되는 것이 제안된다. 이러한 방식으로, 예를 들어 도 7a 내지 도 10b에 예시적으로 및 개략적으로 도시된 개질과 유사한 개질이 생성될 수 있다.
따라서 도 11과 관련하여 전술한 베셀 빔 초점 구역의 시작-/끝 평면(L1/L2)은, 간섭으로 인한 끝의 제한에 대한 대안으로서 전술한 개념에 따라 또는 이러한 개념과 조합하여 공작물에 개질/개질 표면을 생성하기 위해 이용될 수 있는 해결 방법이다.
차폐 에지의 공간적으로 잘 규정된 정의에 관해, 예를 들어 베셀 빔 초점 구역의 강도가 예를 들어 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위의 길이에 걸쳐 90% 이상으로부터 10% 미만으로 감소 또는 증가하는 것을 추구할 수 있도록 보완된다. 감소/증가는 또한 예를 들어 5개의 빔 직경 범위의 길이에 걸쳐 이루어질 수 있다.
상세한 설명 및/또는 청구범위에 개시된 모든 특징은 최초 개시의 목적과 청구된 발명을 제한할 목적을 위해 실시예 및/또는 청구항의 특징 조합과 무관하게 별도로 및 서로 무관한 것으로 간주된다는 것이 명시적으로 강조된다. 단위 그룹의 모든 범위 표시 또는 표시는 최초 개시의 목적뿐만 아니라 청구된 방법을 제한할 목적으로 가능한 모든 중간값 또는 단위의 하위 그룹을, 특히 범위 표시의 한계로서 개시함을 명시한다.

Claims (17)

  1. 펄스 레이저 빔으로 재료(9)의 인접하는 섹션들(125A, 125B)을 순차적으로 개질함으로써 적어도 부분적으로 투과성인 재료(109)를 레이저 재료 가공하는 방법으로서,
    재료(190) 내로 조사 시, 제1 초점 구역(107)을 형성하는 제1 펄스 레이저 빔(103)을 생성하는 단계,
    제1 개질(119, 143)을 생성하기 위해 제1 펄스 레이저 빔(103)으로 재료(109)를 가공하는 단계로서, 재료(109)의 제1 섹션(125A)을 개질하기 위해 제1 초점 구역(107)이 재료(109)에 대해 이동되어, 제1 개질(119, 143)이 차폐 표면(115)을 형성하는 단계,
    재료(109) 내로 조사 시, 제2 초점 구역 축(113')을 따라 연장되어 형성되고 일정한 각도로 제2 초점 구역 축(113')에 도달하는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성되는 제2 초점 구역(107')을 형성하는 제2 펄스 레이저 빔(103')을 생성하는 단계, 및
    재료(109)의 제2 섹션(125B)에서 제2 개질(119')을 생성하기 위해 재료(109)에 대해 제2 초점 구역(107')이 이동됨으로써, 제2 펄스 레이저 빔(103')으로 재료(109)를 가공하는 단계로서, 일정한 각도로 제2 초점 구역 축(113')에 도달하는 레이저 방사선의 적어도 일부가 차폐 표면(115)에 부딪히는 것인 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 펄스 레이저 빔(103')으로 재료(109)를 가공하는 동안, 제2 초점 구역 축(107)은, 각각의 경우에, 차폐 표면(115) 뒤에서 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의 보강 간섭이 방해를 받아서, 특히 억제되어, 제2 펄스 레이저 빔(103')이 차폐 표면(115)까지만 제2 개질(119')을 형성하도록 차폐 표면(115)에 대해 정렬되고, 선택적으로 제2 펄스 레이저 빔(103')의 일부만이 차폐 표면(115)에 부딪혀서, 차폐 표면(115)에 부딪히지 않는 제2 펄스 레이저 빔(103')의 레이저 방사선의 일부와 차폐 표면(115)에 부딪히는 제2 펄스 레이저 빔의 레이저 방사선의 보강 간섭이 방해를 받아서, 특히 억제되어, 제2 펄스 레이저 빔(103')은 차폐 표면(115)까지만 제2 개질(119')을 형성하고, 제2 섹션(125B)은 제1 섹션(125A) 내로 통하는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 초점 구역 축(113')은 각각의 경우에 차폐 표면(115)에 접하거나 차폐 표면(115)을 통과하는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 섹션(125A)과 제2 섹션(125B)은 0°내지 90°, 바람직하게는 0°내지 30°의 각도로 서로 연장되는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 초점 구역(107)은 제1 초점 구역 축(113)을 따라 연장되어 형성되고, 제1 초점 구역(107)의 시작(107A) 및/또는 끝(107B)에서 강도 증가를 형성하고, 상기 강도 증가는 재료(109)에서 제1 초점 구역 축(113)을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성하고,
    차폐 표면(115)은 재료(109)에서 공간적으로 규정된 이행부에 의해 제한되고, 공간적으로 규정된 이행부는 재료(109)를 통과하는 차폐 에지(121)일 수 있고,
    제2 초점 구역(107')은, 제2 초점 구역 축(113')이 차폐 에지(121) 근처에서 또는 차폐 에지(121)를 통해 또는 차폐 에지(121) 주위로 연장되는 공간 영역에서 또는 차폐 표면(115)을 통해 연장되는 방식으로 재료(109)에 대해 이동되는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제2 펄스 레이저 빔(103')으로 재료(109)를 가공하는 동안 제2 펄스 레이저 빔(103')은 각각의 경우에, 제2 초점 구역(107')이 차폐 표면(115) 내로 통하는 방식으로 및/또는 제2 초점 구역 축(113')은 차폐 에지(121)를 통과하는 방식으로 정렬되는 것인 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 제1 초점 구역(107)에서 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로의 이행부는, 이행부가 1 ㎛ 내지 200 ㎛, 일반적으로 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위의 길이에 걸쳐 초점 구역 축(113)을 따라 연장되는 방식으로 공간적으로 제한되는 것인 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 펄스 레이저 빔(103) 및/또는 제2 펄스 레이저 빔(103')은,
    제1 초점 구역(107) 및/또는 제2 초점 구역(107')이 적어도 10:1의 종횡비를 갖는 방식으로 및/또는
    제1 초점 구역(107) 및/또는 제2 초점 구역(107')은 초점 구역에 걸쳐 개질을 일으키는 강도 분포의 측방향 범위의 50% 이하의 최대 변경을 갖는 방식으로 및/또는
    제1 초점 구역(107) 및/또는 제2 초점 구역(107')의 축방향 범위가 시작부에서 및/또는 끝에서 입사 레이저 빔(153)의 위상 변조에 의해 결정되는 방식으로 생성될 수 있고, 위상 변조는 베셀 빔 초점 구역을 형성하도록 구성되고, 특히 입사 레이저 빔(153)에 방사방향으로 변하는 액시콘 위상 기여를 부여하고, 위상 변조는 방사방향 영역으로 제한되고, 선택적으로 입사 레이저 빔(153)은 방사방향 내측에 있는 영역(161)에서 및/또는 방사방향 외측에 있는 영역(163)에서 방사방향 영역으로 제한을 위해 빔 다이어프램과 상호 작용하고, 특히 진폭 다이어프램으로 차단되거나 위상 다이어프램으로 산란되고, 또는 선택적으로 입사 레이저 빔(153)은 방사방향 영역에만 형성되는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 초점 구역(107)은 가우스 레이저 빔으로 형성되어, 제1 개질(143)의 기하학적 형상은 가우스 초점 구역에 대응하고,
    재료(109)에서 제1 개질(143)은 래스터(145)에 배치되고, 래스터(145)는 차폐 표면(115)을 형성하고,
    제2 초점 구역(107')은, 제2 초점 구역 축(113')이 차폐 표면(115)을 통해 또는 차폐 표면(115) 주위로 연장되는 공간 영역에서 또는 차폐 표면(115)의 가장자리 영역에서 연장되는 방식으로, 재료(109)에 대해 이동되는 것인 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 펄스 레이저 빔(103')은 재료(109) 내로 조사 시 제2 초점 구역(107')의 시작에서 강도 증가를 형성하고, 상기 강도 증가는 재료(109)에서 제2 초점 구역 축(113')을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성하여, 제2 펄스 레이저 빔(103')의 레이저 펄스에 의해 개질된 재료 영역이 추가 차폐 표면을 형성하고, 상기 차폐 표면은 재료에서 공간적으로 규정된 이행부에 의해 제한되며, 공간적으로 규정된 이행부는 재료(109)를 통과하는 추가 차폐 에지이며,
    재료(109) 내로 조사 시 제3 초점 구역 축을 따라 연장되어 형성되고 제2 초점 구역 축에 대해 일정한 각도로 연장되는 레이저 방사선의 보강 간섭에 의해 형성되는 제3 초점 구역을 형성하는 제3 펄스 레이저 빔을 생성하는 단계 및
    재료(109)의 제3 섹션(139C)을 개질하기 위해 제3 초점 구역 축이 추가 차폐 에지 근처에서 또는 추가 차폐 에지를 통해 연장되는 방식으로 제3 초점 구역이 재료(109)에 대해 이동됨으로써, 제3 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 섹션(125A)과 제2 섹션(125B)은 적어도 부분적으로 재료(109) 내에 커팅 윤곽 표면을 형성하고,
    커팅 윤곽 표면을 따라 재료(109)를 커팅하는 단계를 더 포함하고, 특히 제1 섹션(125A) 또는 제2 섹션(125B)은 긴 모따기 또는 미세 모따기의 형성을 야기하고 및/또는 제1 섹션(125A)과 제2 섹션(125B)은 재료(109) 내에 오목부의 형성을 야기하는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제2 섹션(125B)은 차폐 표면(115)으로 이어지는 연결 표면을 규정하여, 재료가 2개의 부분으로 커팅된 후에 상기 부분들 중 하나에 공간적으로 규정된 이행부를 따라 에지가 형성되는 것인 방법.
  13. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 펄스 레이저 빔(103') 및 선택적으로 제1 펄스 레이저 빔(103)은 준 베셀 빔형의 빔 프로파일을 가지며, 상기 빔 프로파일에서 특히 입사 레이저 빔의 중앙 영역만이 연장된 초점 구역의 상향 빔에 위치한 끝에 기여하고 및/또는
    제2 펄스 레이저 빔(103') 및 선택적으로 제1 펄스 레이저 빔(103)은 역 준 베셀 빔형의 빔 프로파일을 갖고, 상기 빔 프로파일에서 특히 입사 레이저 방사선의 중앙 영역만이 연장된 초점 구역의 하향 빔에 위치한 끝에 기여하는 것인 방법.
  14. 펄스 레이저 빔으로 재료(109)의 인접 섹션들을 순차적으로 개질함으로써 적어도 부분적으로 투과성인 재료(109)를 가공하는 레이저 가공 설비(1, 21)로서,
    재료(109) 내로 조사 시, 선택적으로 가우스 초점 구역으로서 또는 제1 초점 구역 축(113)을 따라 연장된 초점 구역으로서 형성되고, 제1 초점 구역(107)의 시작 및/또는 끝에 재료 내에 제1 초점 구역 축(113)을 따라 개질되지 않은 재료로부터 개질된 재료로 공간적으로 규정된 이행부를 생성하는 강도 증가를 형성하는 제1 초점 구역(107)을 형성하는 제1 펄스 레이저 빔(103)을 생성하기 위한, 그리고 재료(109) 내로 조사 시, 제2 초점 구역 축(113')을 따라 연장되어 형성되고, 제2 레이저 초점 구역 축(113')에 대해 일정한 각도로 연장되는 레이저 방사선의 보상 간섭에 의해 형성되는 제2 초점 구역(107')을 형성하는 제2 펄스 레이저 빔(103')을 생성하기 위한 레이저 빔 소스(1A),
    공작물로서 재료(9)를 보관하기 위한 공작물 보관 유닛(25), 및
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 제어 유닛(31)
    을 포함하고,
    상기 레이저 가공 설비(1, 21)는 재료(109)와 제1 펄스 레이저 빔(103) 및 제2 펄스 레이저 빔(103')의 초첨 구역(107, 107') 사이의 상대 이동을 수행하도록 그리고 제1 레이저 펄스로 생성된 차폐 표면(115)에 대해서 제2 펄스 레이저 빔(103')을 정렬하도록 구성되는 것인 레이저 가공 설비.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어 유닛(31)은 공작물 보관 유닛(25)에 대해서, 초점 구역의 위치, 특히 연장된 초점 구역의 끝의 위치를 조절하도록 및/또는 레이저 빔의 파라미터를 조절하도록 구성되는 것인 레이저 가공 설비.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 레이저 빔 소스(1A)는 또한, 비선형 흡수에 의해 재료(109)를 개질하는 레이저 방사선을 생성하도록 구성되는 것인 레이저 가공 설비.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 가공 설비(1, 21)는 빔 형성 부재(11)를 가진 광학계(1B)를 더 포함하고, 상기 빔 형성 부재(11)는 입사 레이저 방사선에 횡단 위상 변화를 부여하도록 구성되고,
    선택적으로 광학계(1B)는,
    적어도 10:1의 종횡비 및/또는 50% 이하 범위의 초점 구역에 걸친 강도 분포의 측방향 범위의 최대 변경을 갖는 연장된 초점 구역을 생성하도록 및/또는
    레이저 빔의 중앙 영역만이 연장된 초점 구역(107, 107')의 상향 빔에 또는 하향 빔에 위치한 끝에 기여하는 연장된 초점 구역(107, 107')을 형성하도록 구성되는 것인 레이저 가공 설비.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10442719B2 (en) * 2013-12-17 2019-10-15 Corning Incorporated Edge chamfering methods
US20150165563A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-18 Corning Incorporated Stacked transparent material cutting with ultrafast laser beam optics, disruptive layers and other layers
TW201540405A (zh) * 2014-01-27 2015-11-01 Corning Inc 邊緣去角方法
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DE102014116957A1 (de) * 2014-11-19 2016-05-19 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optisches System zur Strahlformung
DE102015111491A1 (de) * 2015-07-15 2017-01-19 Schott Ag Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen von Glas- oder Glaskeramikteilen
CN110121398B (zh) * 2016-08-30 2022-02-08 康宁股份有限公司 透明材料的激光加工
US11401195B2 (en) * 2018-03-29 2022-08-02 Corning Incorporated Selective laser processing of transparent workpiece stacks

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