KR20230025887A - 투과성 재료를 경화하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

투과성 재료를 경화하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR1020237001998A
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펠릭스 짐머만
마르셀 쉐퍼
Original Assignee
트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 투과성 재료(1)를 경화하기 위한, 특히 투과성 재료(1)의 표면(10)을 국부적으로 경화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 이 경우 투과성 재료(1)를 경화하기 위해, 바람직하게는 국부적으로 경화하기 위해, 초단파 레이저 펄스(66)에 의해 형성된 레이저 빔(6)을 사용하여 투과성 재료(1) 내에 또는 위에 재료 개질(3)이 도입되거나 적용되고, 바람직하게는 국부적으로 도입되거나 적용된다.

Description

투과성 재료를 경화하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 투과성 재료를 경화하기 위한 장치 및 방법, 특히 투과성 재료의 표면을 국부적으로 경화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
예를 들어 스마트폰, 스마트워치 또는 태블릿과 같은 가전제품에 사용되는 유리를 경화하는 것은 특별한 과제임이 공개되어 있다. 각각의 디스플레이 유리는 재료를 경화함으로써, 처리되지 않은 유리보다 긁힘과 충격에 훨씬 더 저항력이 있어야 한다.
그러나 지금까지 디스플레이용 재료의 전체적인 경화를 허용하고 따라서 특히 예를 들어 특히 응력이 가해지는 영역에서 국부적인 경화를 허용하지 않는 방법만이 있었다. 예를 들어 폴더블 디스플레이는 굽힘 지점에서 특수한 하중에 노출된다. 베젤리스(bezel-less) 디스플레이를 위한 라운드형 측면이 있는 디스플레이도 굽힘 지점에서 만곡된 형상으로 인해 특수한 하중에 노출된다.
공개된 선행 기술에 기초하여 본 발명의 과제는 투과성 재료를 경화하기 위한, 특히 투과성 재료의 표면을 국부적으로 경화하기 위한 개선된 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 상응하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는, 투과성 재료를 경화하기 위한 방법, 특히 투과성 재료의 표면을 국부적으로 경화하기 위한 방법에 의해 해결된다. 방법의 바람직한 개선예는 종속 청구항 및 본 상세한 설명과 도면에 제시된다.
이에 따라 투과성 재료를 경화하기 위한 방법, 특히 투과성 재료의 표면을 국부적으로 경화하기 위한 방법이 제안된다. 본 발명에 따르면, 투과성 재료를 경화하기 위해, 바람직하게는 국부적으로 경화하기 위해, 초단파 펄스 레이저의 초단파 레이저 펄스에 의해 형성된 레이저 빔을 사용하여 투과성 재료 내에 또는 위에 재료 개질이 도입되거나 적용되며, 바람직하게는 국부적으로 도입되거나 적용된다.
초단파 펄스 레이저는 초단파 레이저 펄스를 제공한다. 초단파 펄스 레이저는 피코초 또는 펨토초 범위의 레이저 펄스를 제공한다.
레이저는 또한 초단파 레이저 펄스로 구성된 버스트라고 하는 펄스 트레인을 제공할 수도 있으며, 이 경우 각 버스트는 다수의 레이저 펄스의 방출을 포함한다. 특히 소위 GHz 버스트도 제공될 수 있고, 이 경우 개별 레이저 펄스의 반복률은 예를 들어 최대 1000GHz이다.
이 경우, 투과성 재료는 초단파 펄스 레이저에 의해 방출되는 레이저 광의 파장에 대해 실질적으로 투과성이다. 실질적으로 투과성이라는 것은 재료에 입사하는 레이저 출력의 50% 이상, 예를 들어 90% 또는 95.5% 이상이 재료를 통해 투과되는 것을 의미한다. 일반적으로 투과되지 않는 레이저 에너지의 작은 부분도 재료에 의해 흡수된다. 예를 들어 개구수가 0.1보다 큰 광학 장치를 이용해서 레이저 빔이 충분히 포커싱되면, 이러한 흡수된 레이저 에너지가 투과성 재료의 강한 국부적 가열을 유발할 수 있다.
레이저 빔과 상호 작용하는 영역의 또는 레이저 빔에 의해 가열된 영역의 확장은 빔의 기하학적 형상, 특히 레이저 빔의 초점 직경과 빔 프로파일에 의해 결정된다(아래 참조).
재료 개질은, 투과성 재료의 열 평형 상태에서, 예를 들어 재료의 망상 구조 또는 재료의 (국부적) 밀도와 같은 투과성 재료의 영구적인 변경으로 이해되며, 이는 직접 레이저 조사에 의해 생성된 국부적 가열과 후속 냉각에서 비롯된다.
투과성 재료 내의 또는 상의 재료 개질은 이 경우 예를 들어 투과성 재료의 구조, 특히 결정 구조 및/또는 비정질 구조 및/또는 화학적 구조 및/또는 기계적 구조의 변경일 수 있다. 재료 개질이 재료의 체적 내로 실질적으로 도입되는 경우에, 이것은 재료 내에 제공된다. 이와 달리, 재료 개질이 실질적으로 재료의 표면을 개질하는 경우에, 재료 위에 재료 개질이 제공된다. 그러나 특히 레이저 빔의 초점 설정 및 빔 프로파일에 따라 재료 개질이 재료 내로 도입되거나 재료 위에 적용될 수 있다.
예를 들어, 비정질 유리 재료에 도입된 재료 개질은, 유리 재료가 이러한 영역에서만 결정질 구조 성분을 포함하는 상태일 수 있다. 국부적 가열 및 급속 냉각은 이 경우 유리 망상 구조의 개질을 일으킬 수 있고, 그 결과 재료의 밀도와 경도가 국부적으로 변경된다. 예를 들어, 비정질 유리 재료에서 망상 구조의 변동, 예를 들어 결합 각도- 및 길이 또는 망상 구조의 변동에 의해 달성될 수 있다. 이러한 방식으로 이 영역에서 유리 재료의 밀도 및 경도의 국부적인 변경이 달성될 수 있다.
재료 개질은 재료의 물리적 특성, 예를 들어 강도 및/또는 굽힘 강도의 직접적인 변경일 수 있고 및/또는 굽힘력과 전단력뿐만 아니라 전단과 인장 응력에 대한 재료의 저항력일 수도 있다.
재료 개질은 선택된 재료, 특히 유리 유형에 따라 달라질 수 있는 국부적인 밀도 변화일 수도 있다. 예를 들어 재료 내에서 밀도 변화로 인해 처리되지 않은 재료보다 높은 재료 경도를 갖는 응력- 및 압축 영역이 생길 수 있다.
재료 개질은 특히, 레이저 펄스, 예를 들어 차례로 도입되는 적어도 2개의 레이저 펄스가 재료를 국부적으로 용융하는 경우에도 발생할 수 있다. 냉각된 용융물은 재료 개질을 포함할 수 있고 더 높거나 더 낮은 재료 경도를 가질 수 있다. 궁극적으로 재료 개질 유형은 재료와 레이저 파라미터에 의존하여, 레이저 파라미터는 재료별로 설정될 수 있다.
연속하는 초단파 레이저 펄스의 시간 간격이 재료의 열 확산 시간보다 짧으면, 이는 주로 레이저의 초점 영역에서 재료 내의 열 축적 또는 온도 상승으로 이어진다. 그런 다음 온도는, 예를 들어 용융 온도에 도달할 때까지, 각각의 연속하는 펄스로 (국부적으로) 증가할 수 있다.
접합 영역의 재료를 용융하기 위해, 예를 들어 2~10개의 초단파 레이저 펄스 및/또는 버스트가 재료에 도입될 수 있다. 이러한 복수의 초단파 레이저 펄스 및/또는 버스트는 의도된 재료 가공을 위해 공간적으로 볼 때 각각 하나의 레이저 스폿, 즉 재료 내의 레이저의 각각의 초점 구역의 공간적 확장부에 도입된다. 가우시안 레이저 빔의 경우 레이저 스폿은 예를 들어 이중 빔 웨이스트(beam waist)에 의해 정의된다.
단일 위치에 도입되는 레이저 펄스의 개수를 펄스 중첩이라고 한다. 펄스 중첩은 열 축적의 척도로서 간주될 수 있다.
예를 들어 피드 없이 재료의 동일한 위치에 모든 펄스가 입력되면, 펄스 중첩은 최대이다. 이와 달리 재료와 레이저 스폿 사이에서 피드가 실행되면, 펄스 주파수(반복률)와 피드 속도의 비율에 따라 펄스 중첩이 감소할 수 있다. 피드 속도가 너무 높으면, 재료 내에 레이저 스폿의 중첩이 발생하지 않는다.
재료 내의 위치당 초단파 레이저 펄스 및/또는 버스트의 개수는 레이저 스폿 크기 SG와 피드 속도 VG당 반복률 P의 곱에 의해 주어진다. 펄스 중첩은 예를 들어 SG * P/VG에 의해 제공된다.
이어서 가열 및 후속 급속 냉각에 의해 재료 개질이 도입될 수 있다. 예를 들어, 재료의 가정적인 온도 및 망상 구조는 초당 106Kelvin 정도의 냉각 속도에 의해 변경될 수 있으므로, 높은 냉각 속도로 인해 국부적으로 경도가 증가하거나 감소하는 재료 개질이 형성된다.
재료 개질의 도입은 실질적으로 레이저 빔의 레이저 펄스의 작용 영역으로 제한되므로, 투과성 재료가 국부적으로 경화된다. 따라서 경화는 도입된 레이저 펄스의 직접적인 작용 영역에서 발생한다.
다시 말해서 국부적 경화란, 투과성 재료의 면적 관련 또는 3차원 영역만이 목표대로 경화되는 것을 의미하며, 전체 재료가 경화되는 것은 아니다.
따라서, 대면적에 걸쳐 가공하고자 하는 표면의 모든 위치에 레이저 펄스가 도입되어야 하는 경우에만 대면적 또는 전면적에 걸쳐 재료 개질의 도입이 이루어질 수 있으며, 이는 예를 들어 대면적에 걸쳐 경화될 표면의 전체면의 스캐닝에 이해 달성될 수 있다.
다시 말해서 전반적인 또는 표면에 걸친 또는 영역별 경화는, 예를 들어 경화될 영역에서 투과성 재료와 레이저 빔이 서로에 대해 이동되어, 재료의 다양한 영역 및 범위에 재료 개질이 도입될 수 있고 이 영역에서 상응하게 국부적 경화가 발생함으로써 이루어질 수 있다.
레이저 펄스의 영향으로 변경된 경도를 측정할 수 있는 전체 영역을 포함하는 재료 개질 영역은 실제 재료 개질과 구별된다. 이는 특히, 공간적으로 볼 때 재료가 재료 개질로부터 유리 재료의 처리되지 않은 영역의 초기 상태로 다시 전환되는 영역이다.
투과성 재료는 유리 또는 중합체 또는 세라믹 또는 전술한 재료들의 예비 응력을 받은 변형물일 수 있다. 예를 들어, 전술한 재료들의 열적 또는 화학적 예비 응력을 받은 변형물은, 예를 들어 열적 또는 화학적 예비 응력을 받은 유리 또는 예비 응력을 받은 플라스틱을 의미할 수도 있다.
재료 가공에 사용되는 레이저 빔은 해당 빔 프로파일을 갖는 가우시안 또는 준 비회절 레이저 빔일 수 있다.
레이저 빔의 빔 프로파일은 예를 들어 레이저 빔의 전파 방향을 따른 종방향 빔 단면을 통해 그리고 레이저 빔의 전파 방향에 대해 수직인 측방향 빔 단면에 의해 설명될 수 있다.
가우시안 빔 프로파일은, 레이저 빔이 종방향 빔 단면을 따른, 즉 전파 방향을 따른 가우시안 강도 분포 및 측방향 빔 단면을 따른, 즉 전파 방향에 대해 수직인 가우시안 강도 분포를 모두 갖는 것을 의미한다. 가우시안 빔은 일반적으로 레이저의 정상적인 기본 모드에 의해 제공되며, 이로 인해 초단파 펄스 레이저의 펄스가 빔 프로파일의 기본적인 수정 없이 먼저 사용될 수 있음을 의미한다.
가우시안 빔의 측방향 초점 구역 dGF 0, 가우시안 초점 또는 가우시안 빔 또는 가우시안 프로파일의 직경은, 한편으로 가우시안 곡선의 변동 또는 두 번째 모멘트(moment)에 의해 정의된다. 다른 한편으로, 종방향 초점 구역 dGF 0는 연관된 특성 길이인 레일리 길이 ZR =∏(dGF 0)2/4λ에 의해 규정되며, 이는 빔 단면이 팩터 2만큼 증가한 초점 위치로부터의 간격이다.
그러나 레이저 빔은 준 비회절 빔일 수도 있다. 비회절 빔은 헬름홀츠(Helmholtz) 방정식을 충족하고;
Figure pct00001
하기 식,
Figure pct00002
의 횡방향 및 종방향 의존성으로 명확한 분리 가능성을 갖는다. 여기서 k=ω/c는 횡방향 및 종방향 성분 k2 = kz 2 + kt 2을 갖는 파동 벡터이고, Ut(x,y)는 가로 좌표 x,y에만 의존하는 임의의 복소수 진폭 함수이다. U(x,y,z)의 빔 전파 방향으로 z-의존성은 순수한 위상 변조로 이어지므로, 풀이의 관련 강도 I는 전파 불변성이거나 비회절성이다:
I(x,y, z) = |U(x,y,z)|2 = I(x,y,0).
이러한 접근 방식은 타원-원통 좌표계의 마티유(Mathieu) 빔 또는 원형-원통 좌표계의 베셀(Bessel) 빔과 같이 상이한 좌표계에서 상이한 풀이 체계를 제공한다.
실험적으로 복수의 비회절 빔이 대략, 즉 준 비회절 빔으로 실현될 수 있다. 이론적인 가설과 달리 이러한 빔은 유한 출력만을 야기한다. 이러한 준 비회절 빔의 전파 불변성의 길이 L도 유한하다.
또한, 준 비회절 빔 dND 0의 경우 빔 프로파일의 직경으로서 또는 횡방향 초점 구역으로서, 국부적 강도 최대값의 횡방향 크기를 직접 인접하는 반대되는 강도 최소값의 최단 간격으로 정의한다.
거의 전파 불변성인 이러한 강도 최대값의 빔 전파 방향으로 초점 구역의 종방향 확장은 준 비회절 빔의 특성 길이 L을 나타낸다. 상기 길이는 양 및 음의 z 방향, 즉 전파 방향으로 국부적 강도 최대값에서 시작하여 50%까지 강도 감소에 의해 정의된다.
준 비회절 빔은 정확히,
Figure pct00003
, 즉 유사한 횡방향 크기에 대해 특성 길이 L이 관련 가우시안 초점의 레일리 길이를 명확하게 초과하는 경우에만, 예를 들어 L > 10zR인 경우에 존재한다.
여기서는 베셀 빔이라고도 하는 준 베셀 빔 또는 유사 베셀 빔은 준 비회절 빔의 하위 집합으로 공개되어 있다. 이 경우 광축 근처의 횡방향 필드 분포 Ut(x,y)는 대략 제1종 n차 베셀 함수를 따른다. 이러한 빔의 범주의 또 다른 하위 집합은 베셀-가우시안 빔이며, 이러한 빔은 생성이 간단하기 때문에 널리 사용된다. 따라서 시준된 가우시안 빔으로 굴절, 회절 또는 반사 구현 시 액시콘의 조명은 베셀-가우시안 빔의 형성을 가능하게 한다. 광축 근처의 관련 횡단 필드 분포는 대략 가우시안 분포로 둘러싸인 제1종 0차 베셀 함수를 따른다.
결과적으로 재료를 가공할 때 훨씬 더 큰 초점 위치 공차가 달성될 수 있다. 따라서 예를 들어 유리의 국부적 리플과 초점 조정의 영향이 감소한다. 또한 이로 인해, 층 두께에 걸쳐 재료가 균일하게 경화되거나 가공될 수 있는 것이 가능해진다. 전반적으로 이 방법은 가능한 오류 원인에 대해 관대하기 때문에 준 비회절 빔을 사용하여 프로세스 안전성을 높일 수 있다.
경화에 사용될 수 있는 일반적인 베셀-가우시안 빔은 예를 들어 dND 0=2.5㎛의 광축에서 중심 강도 최대값의 직경을 갖는다. 그와 달리
Figure pct00004
인 가우스 초점은 λ=1㎛에서
Figure pct00005
만의 대기 중 초점 길이를 특징으로 한다. 이러한 재료 가공과 관련된 경우에 L >> 10zR도 적용될 수 있다.
바람직하게 레이저 빔은 광학 장치에 의해 포커싱되고, 초점 영역은 투과성 재료의 표면에 대해 특성 길이의 100배 미만, 특히 10배 미만의 거리를 두고 투과성 재료의 외부에 배치된다.
이는, 초점과 펄스 에너지의 조절에 의해 재료가 경화될 수 있을 뿐만 아니라 재료의 표면이 변경될 수 있다. 특히 이 경우 거의 응력이 없는 표면 개질이 생성될 수 있다.
가우시안 빔의 경우에 특성 길이는 포커싱된 빔의 레일리 길이로 이해할 수 있다. 레일리 길이는 소위 빔 웨이스트(beam waist)라고 하는 초점 내 빔 단면적에서 시작하여, 빔 단면적이 두 배가 되는 빔 축을 따른 간격으로 정의된다. 특히 이것은, 빔의 반경이 팩터 21/2만큼 증가하는 것을 의미할 수 있다.
예를 들어, 초점 내 빔 웨이스트는 1㎛일 수 있다. 그러면 초점 내 빔 단면적은 약 3.14㎛2이다. 특성 길이, 여기에서 레일리 길이에 따라 빔 단면적은 6.28㎛2이고, 즉 두 배 크기이다. 가우시안 빔의 경우 1㎛의 파장 길이에서 특성 길이는 예를 들어 약 6㎛일 수 있다. 다른 빔 형상에 경우 특성 길이에 대해 다른 값이 주어질 수 있다.
특성 길이는 일반적으로, 즉 특히 유사 가우시안-베셀 또는 유사 베셀 빔, 또는 다른 형태의 빔의 경우에도 전파 방향을 따른, - 즉 종방향 빔 단면을 따른 - 간격으로 이해될 수도 있고, 이에 따라 빔의 강도는 초점 영역 내의 중심의 주 강도 최대값에서 시작하여 절반이 되었다.
초점 및 초점 영역이라는 용어는 여기에서 동의어로 사용되며, 이 경우 초점은 가우시안 빔에서 명확하게 정의되는 한편, 유사 베셀 빔 및 유사 가우시안-베셀 빔에서는 종방향으로 더 확장된 초점 영역이 존재하고, 상기 초점 영역은 주 강도 최대값에 의해 주어진다.
초점 영역과 표면 사이의 거리는 표면과 초점 영역 내의 빔 단면적 사이의 빔 축을 따른 거리에 의해 주어진다. 특히, 거리는 이로써 표면에 대한 레이저 빔의 입사각 및 빔 단면적의 유한 확장 또는 표면 거칠기 또는 곡률과 무관하다.
전술한 바와 같이, 초점 영역 및 따라서 레이저 빔의 강도 최대값은 전체적으로 표면 위에 따라서 투과성 재료 외부에 위치할 수 있다. 이로써 표면으로부터 빔 방향으로 점점 더 약해지는 레이저 빔이 재료 내로 도입되며, 이 경우 레이저 빔의 대부분의 강도는 투과성 재료의 표면에서 직접 흡수된다.
레이저 광의 표면 근처 흡수로 인해 투과성 재료는 주로 표면에서 개질되어 경화된다. 표면의 경도는 특히 조사되지 않은 영역과 달리 그리고 흡수가 이루어지 않거나 표면 영역에 비해 감소하여 이루어지는 재료의 깊이에서 체적 영역과 관련하여 우세하다.
예를 들어, 투과성 재료의 표면은 레이저 복사선에 의해 많이 가열될 수 있으며, 더 아래에 있는 층들은 덜 가열되거나 약간만 가열된다. 예를 들어, 가열 프로세스에 의해 재료의 밀도가 변하기 때문에, 더 아래에 있는 약하게 가열된 층들에 재료 응력이 형성될 수 있다. 그러나 재료 밀도의 변경은 재료가 더 많이 가열될수록 더 클 수 있다. 특히 재료 밀도는 표면에서 최대로 변경될 수 있다. 표면에서 투과성 재료는, 예를 들어 유리 망상 구조 또는 재료 매트릭스로 인해 어떠한 저항력도 받지 않기 때문에, 표면에서 재료는 방해받지 않고 확장될 수 있다. 따라서 가열된 재료는 표면 방향으로도 확장될 수 있다.
초단파 레이저 펄스로 열이 국부적으로 도입됨으로써 재료의 급속 냉각이 도입 후에 이루어지는데, 그 이유는 다수의 레이저 펄스의 도입 후에 레이저 펄스는 재료를 더 가열하지 않고 다양한 재료별 열 전달 메커니즘, 특히 열 확산, 즉 도입된 에너지가 조사 지점으로부터 멀리 운반되기 때문이다. 급속 냉각에 의해 예를 들어 재료의 국부적 밀도 및 경도가 변할 수 있다. 따라서 특히, 재료의 망상 구조가 변경될 수 있고 유리의 가상 온도의 변경이 야기될 수 있다. 이로 인해 특히, 변경된 경도를 갖는 표면의 거의 응력 없는 개질이 발생할 수 있다.
표면의 개질로 인해 광학적 인상도 변할 수 있고, 예를 들어 본 방법에 의해 재료의 투과- 및 반사 특성이 변경될 수 있다. 예를 들어, 유리를 통한 광의 투과 시 확산 산란이 이루어지거나 물질에 반사될 때 확산 반사가 이루어질 수 있다.
예를 들어 유사 베셀 빔 프로파일과 같은 길쭉한 빔 프로파일을 이용함으로써 표면으로부터 재료의 체적 내로 재료의 경화를 수행하는 것도 가능하다.
레이저 빔은 또한 광학 장치에 의해 포커싱될 수 있으며, 초점 영역은 투과성 재료 내에 또는 투과성 재료의 표면 위에 배치될 수 있다.
이는, 초점 영역의 위치와 초단파 펄스 레이저의 펄스 에너지의 변경에 의해 재료가 경화될 수 있고 재료의 표면과 체적의 일부가 변경될 수 있는 장점을 제공한다. 초점 위치의 선택에 의해 또한, 주로 재료의 표면이 경화될지 또는 체적이 주로 경화될지 여부가 결정될 수도 있다.
초점 영역이 투과성 재료 내에 있으면, 이는 초점 영역이 표면 아래에 있음을 의미한다. 초점 영역이 표면에 있으면, 이는 초점 영역과 표면 사이의 거리가 정확히 0임을 의미한다.
초점이 투과성 재료 내에 또는 그 표면 아래에 있기 때문에, 레이저 에너지의 일부가 투과성 재료 내로 도입된다. 결과적으로, 예를 들어 연속적인 열 축적에 의해 재료의 용융 온도가 초과되면, 투과성 재료는 표면 아래에서 국부적으로 가열 및/또는 용융된다. 반복률이 열 확산 시간보다 크면, 레이저의 버스트 또는 다수의 단일 레이저 펄스의 도입에 의해 열 축적이 달성될 수 있다. 이로 인해 레이저 펄스로부터 레이저 펄스로 온도가 증가한다. 초단파 레이저 펄스를 이용한 가열 및 후속 급속 냉각은 투과성 재료의 망상 구조, 밀도 및 경도의 변화를 야기할 수 있으며, 이러한 변화는 가열이 클수록 더 커진다.
예를 들어, 레이저 빔의 초점에서 가열되는 투과성 재료는 크게 확장될 수 있으며, 특히 방사 방향으로 확장될 수 있다. 이와 달리 초점으로부터 멀리 떨어져 있고 약간만 가열된 투과성 재료의 범위는 약간만 확장된다. 따라서 초점에서부터 방사 방향으로 진행하는 재료 응력이 발생할 수 있으며, 이로 인해 특히 재료 경도가 변경될 수 있다.
재료 응력이 투과성 재료에서 작용하는 결합력에 비해 작으면, 냉각 과정에서 비가열 영역보다 큰 경도를 갖는 재료 개질이 형성될 수 있다. 이는 특히, 재료 응력이 비 조사 재료로 확장되어 예를 들어 재료 구성 요소가 국부적으로 압축되는 경우가 여기에 해당할 수 있다.
초점이 정확히 표면에 있는 경우, 위의 설명이 유사하게 적용된다.
국부적으로 처리되는 투과성 재료의 전체 영역에 걸쳐 가공을 일정하게 유지할 수 있도록, 바람직하게 투과성 재료의 표면에 대한 초점 영역의 거리는 자동으로 일정하게 유지된다.
초단파 레이저 펄스의 시간 간격은 바람직하게 투과성 재료의 열 확산 시간보다 짧다. 이는 다수의 개별 레이저 펄스의 도입과 버스트 내의 레이저 펄스의 시간 간격 모두에 적용된다. 바람직하게 적어도 2개의 펄스 사이의 간격은 10μs 내지 1ps의 길이이고, 특히 바람직하게는 1μs 내지 50ps의 길이이다. 초단파 레이저 펄스의 펄스 중첩은 일반적으로 1보다 크며, 특히 레이저 스폿당 10 내지 1000 펄스이다. 하나의 펄스 트레인에서 다수의 초단파 레이저 펄스가 방출될 수도 있다. 펄스 트레인 사이의 시간 간격은 100ns보다 클 수 있으며, 특히 1μs보다 클 수 있다.
레이저 펄스는 개별적으로 또는 펄스 트레인으로 재료 내로 도입될 수 있다. 펄스 트레인은 제 1 특정 시간 간격의 레이저 펄스들, 예를 들어 10개의 레이저 펄스의 시간적 그룹이다. 이로 인해 발생하는 펄스 시퀀스는 제 2 시간 간격 후에 반복된다. 특히, 펄스 트레인은 소위 버스트도 포함할 수 있으며, 이 경우 특정 평균 레이저 에너지가 다수의 펄스에 걸쳐 분배되므로, 가공 프로세스는 더 높은 통제력을 갖는다.
시간 간격을 두고 차례로 도달하는 펄스가 체적 내의 동일한 위치에 부딪히면, 이 위치에서 온도가 증가할 수 있다. 그러나 이는, 재료에 차례로 도입된 레이저 펄스는, 온도가 열 전달 과정을 통해 주변 재료 영역과 주변으로 다시 방출되는 것보다 빠르게 재료를 가열하는 것을 전제로 한다. 이 경우에 국부적 열 축적이 언급된다. 열 축적에 의해, 단일 레이저 펄스에 의해 가능한 것보다 더 많은 열을 재료의 한 지점에서 생성할 수 있다.
예를 들어, 재료 개질을 도입하기 위해 연속적인 레이저 펄스 사이의 시간적 펄스 간격은 재료의 열 확산 시간 TD보다 짧을 수 있다. 그러나, 시간적 펄스 간격을 TD보다 길게, 예를 들어 TO < 5*TD 또는 TO < 10μs 또는 TO > 1ps에서 선택하는 것도 가능하다. 이는, 열 축적을 위해 재료 내에 이전 레이저 펄스의 잔류 열만 있으면 되기 때문이다. 그 이유는 예를 들어 프로세스 한계에 영향을 미치는 인큐베이션- 또는 비선형(재료) 효과 때문이다.
특히 열 축적은, 재료가 국부적으로 용융되는 것을 야기할 수 있다.
펄스 중첩은 재료 개질당 도입된 레이저 펄스의 개수로 이해될 수 있다. 펄스 중첩이 1이면, 재료 개질이 하나의 레이저 펄스에 의해 도입된다. 다른 한편으로 다수의 레이저 펄스, 예를 들어 10개의 레이저 펄스로 구성된 펄스 트레인이 재료에 방출되면, 펄스 중첩은, 예를 들어 10일 수 있다. 그러나 펄스 트레인은 훨씬 더 많은 레이저 펄스로 구성될 수도 있다. 특히, 펄스 중첩은 10 내지 1000일 수 있다.
가공 중에 입사 레이저 빔에 대해 재료가 변위되면, 모든 펄스가 재료 내의 동일한 지점에 도달하지 않고, 연속하는 펄스는 약간의 위치 오프셋으로 재료에 도달한다. 이로 인해, 재료 개질은 예를 들어 평균적으로 합리적인 개수의 펄스로 생성될 수 있다. 예를 들어, 1.5펄스 또는 8.3펄스에 의해 재료 개질이 도입될 수 있다.
레이저 빔과 투과성 재료는 피드 속도로 서로에 대해 이동할 수 있다.
예를 들어, 가공을 위한 투과성 재료가 장착된 XY 테이블, XYZ 테이블 또는 스캐너 시스템과 같은 피드 장치는 X-, Y- 및 Z축을 따라 피드 궤적을 따른 피드 속도로 이동할 수 있다.
그러나 피드 장치는, 레이저 펄스를 신속하게 편향시키고 표면을 효율적으로 가공하기 위해, 전자적으로 제어 가능한 음향 광학 편향기일 수도 있다. 음향 광학 편향기에서 광학적으로 인접하는 재료의 압전 결정에서 교류 전압에 의해 광학 재료의 굴절률을 주기적으로 변조하는 음향 파동이 생성된다. 파동은 광학 재료를 통해 전파되거나, 정재 파동으로서 형성될 수 있다. 굴절률의 주기적인 변조에 의해 입사 레이저 빔에 대한 회절 격자가 구현된다.
따라서 입사 레이저 빔은 회절 격자에서 회절되고 그에 따라 원래의 빔 전파 방향에 대해 각도 α로 적어도 부분적으로 편향된다. 특히, 레이저 빔은 각도 오프셋에 의해 레이저 빔이 원래의 전파 방향에 대해 수직인 방향으로 편향된다. 회절 격자의 격자 상수 및 그에 따른 각도 α는 특히 정재 격자 진동의 파장 또는 주기성 또는 인가된 교류 전압의 주파수에 따라 달라진다. 예를 들어, 1차 회절 차수에 대한 큰 각도 오프셋은 파장이 작은 음향 파동에 의해 달성된다.
특히, 신속한 빔 편향이 실현될 수 있고, 이 경우 레이저 빔은 음향 광학 편향기 유닛의 작업 필드에서 최대 1MHz의 속도로 자유롭게 위치 설정될 수 있다. 따라서 통상적으로 음향 광학 편향기를 위한 해당하는 제어 장치는 빠르게 연결되는 메모리가 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 기반으로 한다.
예를 들어, 초단파 펄스 레이저가 초단파 레이저 펄스를 제공하는 동안 재료는 피드 속도로 이동될 수 있다. 결과적으로 초단파 레이저 펄스는 피드 궤적을 따른 서로 다른 지점에서 재료 내로 도입된다.
피드 장치는 빔 축에 대해서도 재료를 회전시킬 수도 있다. 따라서 레이저 펄스는, 예를 들어 원형 또는 곡선 피드 궤적을 따라 재료 내로 도입될 수 있다. 원칙적으로, 예를 들어 모든 오일러 각도만큼 회전 운동도 가능하므로, 재료의 라운드형 모서리도 레이저에 의해 수직 빔 입사 하에 경화될 수 있다.
피드 속도는 프로세스 속도를 높일 수 있다. 적합한 펄스 중첩과 함께 재료를 균일하게 경화하는 것은 여전히 가능하다.
레이저 빔은 투과성 재료의 적어도 하나의 지점을 여러 번 주사할 수 있다. 이는 재료가 연속적으로 경화될 수 있고, 예를 들어 원하는 경도로 조정될 수 있는 장점을 제공한다.
주사란, 다수의 레이저 펄스가 투과성 재료 내의 정확히 동일한 지점에 방출되는 것을 의미할 수 있다. 그러나 피드 궤적을 여러 번 이동할 수도 있으며, 이 경우 개별 레이저 펄스가 도입되는 궤적의 정확한 위치는 중요하지 않다. 피드 궤적의 단일 통과 시 다수의 펄스가 동일한 지점에서 차례로 재료 내로 도입되는 경우도 있다. 그러나 피드 궤적을 따라 다양한 통과 시 다수의 레이저 펄스가 동일한 지점에 도입되는 경우도 있을 수 있다.
레이저 빔은 다수의 부분 빔으로 분할될 수 있다. 이는, 레이저의 피드 속도를 높일 수 있어 전체 공정 속도도 높일 수 있는 장점을 제공한다.
이 경우, 빔 스플리터 광학 장치는, 레이저 빔을 분할하는 광학 소자뿐만 아니라 재료 개질을 도입하기 위해 모든 부분 빔을 투과성 재료로 향하게 하고 및/또는 포커싱하는 광학 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 50/50 빔 스플리터에 의해 레이저 펄스의 에너지의 제 1 절반을 투과성 재료로 직접 향하게 할 수 있다. 에너지의 제 2 절반은 빔 스플리터를 통해 투과성 재료로 향할 수 있다. 따라서 하나의 레이저 펄스는 다수의 재료 개질을 생성할 수 있으므로 투과성 재료의 영역들의 국부적인 경화 과정을 가속화한다.
상기 과제는 또한 청구항 제 11 항의 특징을 갖는 투과성 재료를 경화하기 위한 장치, 특히 투과성 재료 표면을 국부적으로 경화하기 위한 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면에 바람직한 개선예가 제시된다.
이에 따라 초단파 펄스 레이저와 포커싱 광학 장치를 포함하는 투과성 재료를 경화하기 위한 장치, 특히 투과성 재료의 표면을 국부적으로 경화하기 위한 장치가 제안된다. 본 발명에 따르면, 포커싱 광학 장치는 초단파 펄스 레이저의 레이저 빔을 투과성 재료의 표면 내로 또는 투과성 재료의 표면 위로 또는 투과성 재료의 표면 위쪽으로 포커싱하며, 표면과 초점 사이의 거리는 특성 길이의 100배 미만, 바람직하게는 10배 미만이다.
재료 내로 도입 시 레이저 빔은 가우시안 빔 프로파일 또는 준 비회절 빔의 빔 프로파일을 가질 수 있고 및/또는 초단파 레이저 펄스 사이의 간격은 투과성 재료의 열 확산 시간보다 짧을 수 있고, 바람직하게는 10μs 내지 1ps, 특히 바람직하게는 1μs 내지 50 ps일 수 있고 및/또는 초단파 레이저 펄스의 펄스 중첩은 1보다 클 수 있고 및/또는 하나의 펄스 트레인의 다수의 초단파 레이저 펄스가 방출될 수 있고 및/또는 펄스 트레인의 시간 간격은 100ns보다 클 수 있으며, 특히 1μs보다 클 수 있다.
피드 장치는 레이저 빔과 투과성 재료를 피드 속도에 따라 서로에 대해 이동시킬 수 있고, 피드백 유닛을 갖는 거리 센서는 투과성 재료의 표면에 대한 레이저의 초점의 거리를 일정하게 유지할 수 있다.
예를 들어, 거리 센서는 재료에 대한 레이저 빔의 충돌 지점과 임의의 기준점 사이의 거리를 유지할 수 있다. 예를 들어, 기준점은 미리 결정된 피드 궤적의 지점에 의해 주어질 수 있다. 피드백 유닛은 예를 들어 기준점과 충돌 지점의 편차를 측정하고 그에 따라 편차를 조정하는 시스템일 수 있다. 예를 들어, 투과성 재료의 틸팅에 의해, 피드 방향을 따라 재료의 수직 위치가 조정되어야 하는 한편, 다른 피드 방향을 따라 조정이 필요하지 않을 수 있다.
이는 재료의 잘못된 위치 설정이 시스템에 의해 보상될 수 있는 장점을 제공한다.
피드 장치는 레이저 스캐너 또는 음향 광학 편향기일 수 있거나, 레이저 스캐너 또는 음향 광학 편향기는 피드 장치에 추가하여 레이저 빔을 이동시킬 수 있다.
이로 인해, 하나의 레이저 빔이 시간이 지남에 따라 진동 방식으로 재료 위로 이동될 수 있는 것이 가능해진다.
피드 장치는 예를 들어 압전 제어부와 함께 제공될 수 있는 XYZ 테이블일 수 있다. 음향 광학 변조기에 의해, 레이저 빔을 진동 방식으로 적시에 편향시키는 것이 가능하다. 예를 들어 갈바닉 스캐너 또는 공명 스캐너와 같은 레이저 스캐너를 사용하여 레이저 빔을 매우 동적으로 변위시키는 것도 가능하다.
빔 형성 광학 장치는 재료 내로 도입 전에 유사 가우시안 레이저 빔으로부터 가우시안-베셀 빔 또는 유사 베셀 빔을 생성할 수 있으며 및/또는 빔 스플리터 장치는 레이저 빔을 다수의 부분 빔으로 분할할 수 있다.
빔 형성 광학 장치는 특히 입사 레이저 빔에 가우시안-베셀 빔 또는 유사 베셀 빔 프로필을 부여하는 액시콘(axicon) 또는 회절 광학 소자일 수 있다. 결과적으로, 빔 특성은 특히 바람직하게 변경될 수 있다.
빔 스플리터 장치는 전술한 바와 같이 프로세스 속도를 높일 수 있는 장점을 제공한다. 본 발명의 바람직한 추가 실시예는 도면의 하기 기재에 의해 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 빔 기하학적 형상의 개략도.
도 2a 및 도 2b는 경화 방법의 개략도.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 경화 방법의 또 다른 개략도.
도 4a, 도 4b, 도4c 및 도 4d는 재료의 국부적, 영역별 및 전체적인 경화를 도시한 개략도.
도 5는 상이한 빔 프로파일을 도시한 도면.
도 6은 빔 분할 및 방법을 수행하기 위한 구조를 도시한 도면.
바람직한 실시예는 도면을 참조하여 아래에서 설명된다. 동일하거나 유사하거나 동일한 작용을 하는 요소들은 서로 다른 도면에서 동일한 참조 번호를 가지며, 이러한 요소에 대한 반복 설명은 때때로 중복을 피하기 위해 생략된다.
도 1a에는 초단파 펄스 레이저의 포커싱된 가우시안 레이저 빔(6)을 개략적으로 도시한다. 그러나 레이저 빔은 준 비회절 빔일 수도 있다(도시되지 않음). 초단파 펄스 레이저에 의해 제공되는 초단파 레이저 펄스(66)는 빔 축(62)을 따라 진행하고, 이에 따라 레이저 빔(6)을 형성한다. 예를 들어 레이저 펄스(66)는 초단파 펄스 레이저에 의해 펄스 트레인 및/또는 버스트로 출력되므로, 각각의 펄스 트레인은 다수의 초단파 레이저 펄스(66)를 포함한다.
포커싱으로 인해 레이저 빔(6)의 빔 직경은, 초점 영역에서 상기 빔 직경이 최소 빔 직경(D)에 도달할 때까지 감소한다. 가우시안 빔 프로파일의 경우 최소 빔 직경(D)은 빔 웨이스트에 의해 제공될 수 있는 한편, 유사 베셀 빔의 경우에는 중심의 강도 최대값의 절반 폭, 즉 빔 축에 대해 수직인 중심의 강도 최대값의 50%를 잃을 때까지의 간격에 의해 제공된다.
도 1a의 가우시안 레이저 빔은 초점(63)에서 최소 빔 직경을 가지며, 상기 직경은 초점(63)에서부터 빔 축을 따라 증가하므로, 빔 단면이 확대된다. 가우시안 빔에서 빔 직경이 두 배가 되는 간격 또는 유사 베셀 또는 유사 가우시안-베셀 빔 프로필의 중심의 주 강도 최대값을 절반으로 감소시키는 간격을 특성 길이(L)로 이해한다.
도 1b는 가우시안 빔 단면을 갖는 레이저 빔(6)이 도입되는 투과성 재료(1)를 개략적으로 도시한다. 빔 축(62) 및 투과성 재료의 표면(10)은 바람직하게는 90°인 입사각(621)을 형성한다. 만곡된 표면의 경우 입사각(621)은 예를 들어 빔 축에서부터 표면의 접선 평면까지 측정된다. 이 경우, 빔축이 투과성 재료(1)의 표면(10)과 교차하는 지점에 접선 평면이 형성된다.
투과성 재료(1) 내로 재료 개질을 도입하기 위해, 초단파 펄스 레이저(6)의 레이저 빔이 투과성 재료(1)에 포커싱된다. 레이저 빔(6)의 레이저 펄스(66)의 흡수에 의해 투과성 재료(1)의 국부적 가열이 발생한다. 후속 냉각과 함께 국부적 가열은 이 경우 재료 구조의 변경, 특히 재료 경도의 증가를 야기한다. 그러나 국부적 가열은 재료(1)의 다른 물리적 특성도 변경할 수도 있고, 예를 들어 밀도를 증가시키거나 감소시켜 재료 내에 국부적 응력을 형성할 수 있다.
투과성 재료(1)에 도입된 이러한 변형은 소위 재료 개질(3)이다. 재료 개잘(3) 주위에는 소위 재료 개질 영역(30)이 있다. 재료 개질 영역(30)에서, 재료(1)는 재료 개질(3)이 존재하는 상태로부터 원래 상태로 바뀐다. 원래 상태는, 예를 들어 더 깊은 재료층에 존재하는 가공되지 않은 재료 상태일 수 있거나 주변 재료 영역에 존재하는 재료의 상태일 수 있다. 특히, 재료 개질은 도 1b 및 후속하는 모든 도면에 확대되어 도시된다. 재료 개질(3)은 직접적인 레이저 작용 영역에서만, 즉 초점 영역의 빔 단면 영역에서만 확장된다.
초점(63)이 투과성 재료(1)의 표면(10) 아래에, 즉 체적 내에 있는 경우, 투과성 재료(1)의 경화가 도 2에 도시된다.
도 2a는 레이저 빔(6)이 투과성 재료(1)의 재료 체적 내로 어떻게 포커싱되는지를 개략적으로 도시한다. 초점(63)이 투과성 재료(1)의 표면 아래에 있으면, 초단파 펄스 레이저에 의해 제공된 레이저 에너지의 일부는 표면(10) 아래에서 흡수되며, 그 결과 표면 아래의 재료는 특히 강하게 가열된다. 이러한 가열은 예를 들어 밀도의 변화를 야기할 수 있어서, 재료(1)는 레이저 빔의 초점(63)이 있는 곳에서 특히 크게 확장된다. 초점 주위에 놓인 투과성 재료(1)의 영역은 초점 외부의 더 낮은 레이저 강도로 인해 덜 가열되거나 전혀 가열되지 않는다. 그 결과 심하게 가열된 재료가 주변 재료 영역으로 침투하여, 충격 전선(shock front)에서 재료(1)의 경화가 발생한다. 이러한 방법에 의해 투과성 재료(1)의 표면(10)의 기하학적 구조가 변경되지 않고 유지될 수 있어서, 도 2b에 도시된 바와 같이 재료 개질(3)에서 재료(1)의 경도만 변한다.
도 3은 가우시안 레이저 빔의 초점(63)이 표면(10) 위쪽에 있을 때, 투과성 재료(1)를 경화하는 방법을 개략적으로 도시한다. 초점(63)과 표면(10) 사이의 거리는 여기에서 특히 특성 길이(L)의 100배 미만 또는 특성 길이(L)의 10배 미만일 수 있다. 도 3a에서 초점(63)과 표면(10) 사이의 거리는 특성 길이의 10배(10L)보다 훨씬 작다.
초점(63)에서 레이저 광의 강도는 특히 크고, 빔 축(62)을 따라 특성 길이(L) 내에서 예를 들어 절반으로 감소한다. 따라서 투과성 재료(1)의 표면(10)은 재료(1)의 체적에 더 깊이 위치한 층(12)보다 훨씬 더 큰 레이저 강도에 노출된다. 따라서 더 깊은 층에서보다 훨씬 많은 레이저 펄스 에너지가 표면(10)에서 흡수되고, 이로써 표면(10)의 투과성 재료(1)가 더 깊이 위치한 층(12)에서보다 더 가열된다.
도 3c는 표면(10) 위의 위치로 레이저 빔(6)을 포커싱함으로써 재료 개질을 야기할 수 있는 초점 영역의 하부만이 재료(1) 내로 도입되는 것을 도시한다.
도 4는 레이저 빔과 투과성 재료(1)가 피드 궤적(80)을 따라 서로에 대해 이동될 수 있어서, 재료 개질(3)이 상이한 위치에서 재료 내로 도입될 수 있는 것을 도시한다.
도 4a는 초단파 펄스 레이저에 의해 생성된 도입된 재료 개질(3)을 도시하며, 각각의 재료 개질(3)은 예를 들어 단일 레이저 펄스에 의해 생성되었다. 그러나, 각각의 재료 개질(3)이 동일한 지점에서 재료(1) 내로 방출된 복수의 레이저 펄스에 의해, 예를 들어 레이저 펄스의 버스트에 의해 생성될 수도 있다. 재료 개질의 이러한 분포에 의해 예를 들어 재료 경도의 약간의 조정이 이루어질 수 있다.
도 4b는 펄스 트레인 당 복수의 레이저 펄스(66)가 초단파 펄스 레이저에 의해 방출될 수 있거나 펄스 속도가 변하는 경우, 동일한 피드 속도에서 재료(1) 내로 재료 개질(3)이 어떻게 도입될 수 있는지를 개략적으로 도시한다. 예를 들어 3개의 레이저 펄스(66)가 하나의 펄스 트레인에 배치될 수 있어서(왼쪽에서 첫 번째 경로), 레이저 펄스(66)에 의해 생성된 재료 개질(3)이 부분적으로 중첩된다. 펄스 트레인이 훨씬 더 많은 수의 레이저 펄스(66)(왼쪽에서 두 번째 경로)를 포함하여, 피드 궤적의 전체 섹션에 중첩 재료 개질(3)이 제공되는 것도 가능하다. 이 섹션을 따라 재료는 예를 들어 궤적을 따라 특히 균일하게 경화된다. 인접한 재료 개질(3)이 접촉만 하거나(왼쪽에서 세 번째 경로) 재료 개질(3)이 약간만 겹치는 방식으로 펄스가 방출되는 것도 가능할 수 있다.
또한 각각의 재료 개질(3)이 동일한 지점에서 재료(1) 내로 방출된 다수의 레이저 펄스(66)에 의해 생성되어, 펄스 및 초점 내 빔 단면에 의해 주어진 각각의 초점 영역들이 중첩될 수도 있다.
특히 도 4b는, 레이저 펄스의 초점 영역(63)이 중첩하는 방식으로도 이해될 수 있다. 예를 들어, 도입된 레이저 펄스의 중첩 영역에서 재료(1)를 경화시키는 재료 개질이 발생할 수 있다.
재료 개질의 분포에 의해 특히, 재료 내의 경도 변화 또는 경도 구배를 설정하는 것도 가능하다.
도 4a로부터 시작하여 도 4c는, 재료 개질(3) 또는 레이저 펄스의 초점 영역(63)의 중첩이 재료(1)를 통해 또는 피드 궤적(80)을 따라 추가 통과 시에도 이루어질 수 있음을 도시한다. 이를 위해 피드 궤적의 방향이 반전된다. 레이저 펄스(66) 또는 재료 개질(3)은 이미 도입된 레이저 펄스(66)(실선 원) 또는 재료 개질에 추가하여 또는 중첩 방식으로 도입될 수 있다.
도 4d는 레이저의 적합한 스캐닝 기하학적 형사에 의해 예를 들어 표면의 영역이 또는 전체 표면의 균일한 경화가 수행될 수 있음을 도시한다. 이를 위해 빔 단면 또는 인접한 재료 개질(3)에 의해 제공된 초점 영역은 실질적으로 가장 가까운 이웃과 중첩되어야 한다. 영역들은 예를 들어 가장자리 영역, 또는 특히 높은 부하에 노출되는 영역을 포함할 수 있다. 경화하는 재료 개질은 특히 체적 내의 다양한 깊이에 도입될 수 있다.
전반적으로 국부적으로 경화하는 전체 프로세스는 한 번의 통과로 수행될 수 있으며, 통과 동안 재료의 표면(10)에 대한 포커싱된 레이저 빔의 초점 위치는 동일하게 유지된다.
그러나 공정 동안 중첩 영역에서 발생할 수 있는 응력을 줄이기 위해 다수의 통과로 경화를 달성하는 것이 바람직하다. 이 경우 또한 포커싱된 레이저 빔의 초점 위치가 특성 길이의 크기만큼 바람직하게 최대로 변경된다.
도 5에 관련 빔 단면(XY 평면에서)을 갖는 빔 프로파일(YZ 평면에서)의 다양한 예가 도시된다. 방사 방향 대칭인 가우시안 빔 단면은 빔 축(62)을 따라 훨씬 더 작은 확장, 즉 예를 들어 베셀-가우시안 빔 또는 타원형 빔보다 훨씬 작은 특성 길이(L)를 갖는 것이 도시되어 있다. 이를 위해 도면에 지정된 축척을 준수해야 한다. 결과적으로, 유사 베셀 빔 단면의 사용 시 빔 축(62)을 따라 초점 영역의 큰 종방향 확장이 이용될 수 있다. 특히, 사용된 빔 프로파일은 이로써 초점 위치 공차에 반영될 수 있으므로, 방법은 국부적인 표면 거칠기에 둔감해진다.
도 6은 방법을 수행하기 위한 구조를 도시한다. 초단파 펄스 레이저의 가우시안 레이저 빔(6)은 선택적인 빔 형성 광학 장치(9)에 의해 준 비회절 빔으로 변환된 다음 마찬가지로 선택적인 빔 스플리터 광학 장치(5)에 의해 투과성 재료(1)로 향한다. 빔 스플리터 광학 장치(5)는 예를 들어 빔 스플리터(52)와 미러(50)로 구성된다.
본 예에서, 레이저(6)의 빔은 빔 스플리터(52)에 의해 제 1 부분 빔(60)과 제 2 부분 빔(62)으로 분할된다. 제 1 부분 빔(60)은 빔 스플리터(52)에 의해 직접 투과성 재료(1)의 방향으로 향한다. 제 2 부분 빔은 빔 스플리터(52)를 통과한 다음, 미러(50)에 의해 투과성 재료(1)의 방향으로 향한다. 두 부분 빔 모두 포커싱 유닛(7)에 의해 투과성 재료(1) 위로 또는 재료 내로 포커싱된다. 이 경우, 포커싱 유닛(7)은 각각의 부분 빔을 위한 포커싱 광학 장치(71)를 포함할 수 있거나, 모든 부분 빔에 대해 하나의 포커싱 광학 장치(71)만을 포함할 수도 있다. 제 1 부분 빔(60)과 제 2 부분 빔(62)은 투과성 재료에서 재료 개질(3)을 야기하여 재료를 경화시킨다. 특히, 레이저 빔의 빔 프로파일은 빔 스플리터 광학계(5)에 의해 변경되지 않는다. 따라서 동일한 형상의 재료 개질(3)이 2개의 부분 빔에 의해 투과성 재료(1) 내에 생성된다. 이로써 레이저 광의 피드 장치(8)의 피드 속도가 투과성 재료(1)에 비해 증가할 수 있고, 예를 들어 두 배가 될 수 있는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 이제 레이저 펄스당 재료(1) 내로 복수의 개질(3)이 도입되기 때문이다.
피드 시 표면(10)의 불균일성을 보상하기 위해, 거리 센서는 레이저 초점(63)과 기준점 사이의 거리(A)를 측정할 수 있다. 피드백 유닛(82)에 의해 피드 장치(8)는 불균일성을 재료의 정렬을 통해 보상할 수 있다.
적용 가능한 한, 실시예에 제시된 모든 개별 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 서로 결합 및/또는 교환될 수 있다.
1 : 투과성 재료 10 : 표면
12 : 더 깊이 위치한 층 3 : 재료 개질
30 : 재료 개질 영역 32 : 재료 곡률
34 : 재료 싱크홀 36 : 재료 개질 단면
5 : 빔 분할 광학 장치 50 : 미러
52 : 빔 분할기 6 : 레이저 빔
62 : 빔축 621 : 입사각
63 : 초점 64 : 중심 강도 최대값
66 : 레이저 펄스 600 : 제 1 레이저 빔 절반
602 : 제 2 레이저 빔 절반 7 : 포커싱 유닛
71 : 포커싱 광학 장치 8 : 피드 장치
80 : 피드 궤적 82 : 거리- 및 백업 유닛
9 : 빔 형성 광학 장치 L : 특성 길이
D : 직경 A : 거리

Claims (15)

  1. 투과성 재료(1)를 경화하기 위한, 특히 투과성 재료(1)의 표면(10)을 국부적으로 경화하기 위한 투과성 재료 경화 방법에 있어서,
    상기 투과성 재료(1)를 경화하기 위해, 바람직하게는 국부적으로 경화하기 위해, 초단파 레이저 펄스(66)에 의해 형성된 레이저 빔(6)을 사용하여 상기 투과성 재료(1) 내로 또는 위에 재료 개질(3)이 도입되거나 적용되고, 바람직하게는 국부적으로 도입되거나 적용되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 투과성 재료(1)는 유리 또는 중합체 또는 세라믹 또는 전술한 재료들의 예비 응력을 받은 변형물, 특히 화학적 또는 열적으로 경화된 변형물인 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 빔(6)은 광학 장치에 의해 포커싱되고, 초점 영역(63)은 상기 투과성 재료(1)의 표면(10)에 대해 특성 길이(L)의 100배 미만, 특히 10배 미만의 거리를 두고 투과성 재료(1)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 빔(6)은 광학 장치에 의해 포커싱되고, 초점 영역(63)은 투과성 재료(1) 내에 또는 투과성 재료의 표면(10) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 투과성 재료(1)의 표면(10)에 대한 초점 영역(63)의 거리는 자동으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(6)이 가우시안 빔 프로파일 또는 준 비회절 빔의 빔 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 초단파 레이저 펄스(66) 사이의 거리는 상기 투과성 재료(1)의 열 확산 시간보다 짧고, 바람직하게는 10μs 내지 1ps이고, 특히 바람직하게는 1μs 내지 50ps 이고, 및/또는
    - 상기 초단파 레이저 펄스(66)의 펄스 중첩은 1보다 크고 및/또는
    - 하나의 펄스 트레인의 다수의 초단파 레이저 펄스(66)가 방출되며, 바람직하게는 펄스 트레인의 시간 간격은 100ns보다 크고, 바람직하게는 1μs보다 큰 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(6)과 상기 투과성 재료(1)는 피드 속도로 서로에 대해 이동되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(6)은 상기 투과성 재료(1)의 적어도 하나의 지점을 여러 번 주사하는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(6)은 재료 개질(3)이 도입되기 전에 다수의 부분 빔(61, 62)으로 분할되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 방법.
  11. 투과성 재료(1)를 경화하기 위한 장치로서, 초단파 펄스 레이저와 포커싱 광학 장치(7)를 포함하는 투과성 재료 경화 장치에 있어서,
    상기 포커싱 광학 장치(7)는 상기 초단파 펄스 레이저의 레이저 빔(6)을 투과성 재료(1)의 표면(10) 내로 또는 표면 위로 포커싱하거나 상기 포커싱 광학 장치(7)는 레이저 빔을 상기 투과성 재료(1)의 표면(10) 위쪽으로 포커싱하고, 상기 투과성 재료(1)를 경화하기 위해, 바람직하게는 국부적으로 경화하기 위해, 표면과 초점 영역(63) 사이의 거리는 특성 길이(L)의 100배 미만, 바람직하게 10배 미만인 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    - 재료 내로 도입 시 상기 레이저 빔(6)은 가우시안 빔 프로파일 또는 준 비회절 빔의 빔 프로파일을 갖고 및/또는
    - 초단파 레이저 펄스 사이의 간격은 투과성 재료(1)의 열 확산 시간보다 짧고, 바람직하게는 10μs 내지 1ps, 특히 바람직하게는 1μs 내지 50ps이고, 및/또는
    - 초단파 레이저 펄스(66)의 펄스 중첩은 1보다 크고 및/또는
    - 하나의 펄스 트레인의 다수의 초단파 레이저 펄스(66)가 방출되며, 바람직하게 펄스 트레인 사이의 시간 간격은 100ns보다 크며, 특히 1μs보다 큰 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    - 레이저 빔(6)과 투과성 재료를 서로에 대해 이동시키기 위한 피드 장치가 제공되고, 및/또는
    - 투과성 재료(1)의 표면(10)에 대한 상기 레이저 빔(6)의 초점 영역(63)의 거리(A)를 일정하게 유지하기 위한 피드백 유닛(82)을 갖는 거리 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 피드 장치(8)는 레이저 스캐너 또는 음향 광학 편향기이거나, 레이저 스캐너 또는 음향 광학 편향기는 피드 장치(8)에 추가하여 레이저 빔을 이동시키는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 장치.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 재료 내로 도입 전에 가우시안 레이저 빔으로부터 준 비회절 빔을 생성하도록 설정된 빔 형성 광학 장치 및/또는 레이저 빔(6)을 다수의 부분 빔으로 분할하도록 설정된 빔 스플리터 장치(5)가 제공되는 것을 특징으로 하는 투과성 재료 경화 장치.
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