KR20230031955A - 만곡된 표면을 갖는 공작물의 레이저 가공 - Google Patents

Abstract

레이저 빔(3)을 사용하여 공작물(9)의 재료를 가공하기 위한 방법이 개시되고, 여기서 공작물(9)은 레이저 빔(3)에 대해 대체로 투명하고 만곡된 표면(9A)을 갖는 재료를 포함한다. 이 방법은: 공작물(9)의 재료에 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위한 레이저 빔(3)의 빔 성형 단계(단계(101)) ― 빔 성형 단계는 회절 및/또는 굴절 광학 유닛의 배열체를 사용하여 수행되고, · 간섭을 통해 공작물(9)에서 빔 축(5)을 따라 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 레이저 빔(3)의 빔 축(5)에 입사각(δ')으로 빔 성분(3A)의 입사를 발생시키는 초점 형성 빔 성형 단계(단계(101A)), 및 · 공작물(9)에 레이저 빔(3)이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정 빔 성형 단계(단계(101B))를 포함함 ― , 및 공작물(9)의 재료가 세장형 초점 구역(7)에서 수정되도록 레이저 빔(3)의 빔 파라미터를 조정하는 단계(단계(105))를 포함한다.

Description

만곡된 표면을 갖는 공작물의 레이저 가공

본 발명은 레이저 빔을 사용하여 유리 튜브 또는 유리 실린더와 같은 만곡된 표면을 갖는 공작물을 재료 가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 광학 시스템, 및 광학 시스템을 갖는 레이저 가공 시스템에 관한 것이다.

본 명세서에서 투명 재료로 지칭되는, 본질적으로 레이저 방사선에 대해 투명한 재료를 레이저 가공할 때, 레이저 방사선을 사용하여 재료에서 수정(Modifikation)이 발생할 수 있다. 재료의 체적에서 발생하는 레이저 방사선의 흡수(줄여서 체적 흡수(Volumenabsorption))는 투명 재료의 경우 재료의 구조의 세장형 수정을 유발할 수 있다. 재료의 구조의 수정은 예를 들어 드릴링을 위해, 유도 응력에 의한 분리를 위해, 굴절 거동의 수정을 유발하기 위해 또는 선택적 레이저 에칭을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 본 출원인의 출원들인 WO 2016/079062 A1, WO 2016/079063 A1 및 WO 2016/079275 A1을 참조하도록 한다.

예를 들어, 유리를 분리시키기 위한 초단 펄스 레이저 기반 유리 수정 프로세스는 종종 예를 들어 비-회절 빔에서 발견되는 것과 같이 세장형 초점 분포로 수행된다. 이러한 세장형 초점 분포는 예를 들어 외부에서 입사하는 빔 성분의 간섭으로 인해 형성되며, 예를 들어 베셀(Bessel) 모양의 빔의 경우와 같이, 재료에 세장형 수정을 형성할 수 있다.

예를 들어, 인용된 WO 2016/079275 A1에는, 레이저 가공을 위해 높은 종횡비를 갖는 빔 전파 방향으로 세장형인 슬림한 빔 프로파일을 제공할 수 있는 빔 성형 요소 및 광학 구조가 설명되어 있다.

본 개시의 양태의 목적은 세장형 초점 구역을 갖는 유리 튜브 또는 유리 실린더의 레이저 가공과 같이 만곡된 표면을 갖는 공작물의 레이저 가공을 가능하게 하는 것에 기초한다. 특히, 평면의 공작물의 레이저 가공을 위해 개발된 것과 같은 빔 성형 접근법은 만곡된 표면이 있는 공작물에도 적용될 수 있어야 한다. 본 개시의 다른 양태의 목적은 레이저 가공된 본체/중공 본체가 2 개의 섹션으로 분리될 수 있는 방법을 특정하는 것에 기초한다.

이들 목적들 중 적어도 하나는 본원의 청구항 제1항에 따른 공작물을 재료 가공하기 위한 방법, 청구항 제16항에 따른 광학 시스템, 및 청구항 제21항에 따른 레이저 가공 시스템에 의해 달성된다. 추가 개발예들은 종속 청구항에 명시되어 있다.

일 양태에서, 펄스 레이저 빔, 특히 초단파 레이저 펄스로 공작물을 재료 가공하기 위한 방법이 개시되고, 여기서 공작물은 레이저 빔에 대해 대체로 투명하고 만곡된 표면을 갖는 재료를 포함한다. 이 방법은:

공작물의 재료에 (특히 전파 방향으로/빔 축을 따라) 세장형 초점 구역을 형성하기 위한 레이저 빔의 빔 성형 단계 ― 빔 성형 단계는 회절, 반사 및/또는 굴절 광학장치의 배열체로 수행됨 ― 를 포함한다. 이 빔 성형 단계는:

- 간섭을 통해 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔의 빔 축에 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시키는 초점 형성 빔 성형 단계, 및

- 공작물에 레이저 빔이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정 빔 성형 단계를 포함하고, 그리고

이 방법은

공작물의 재료가 세장형 초점 구역에서 수정되도록 레이저 빔의 빔 파라미터를 조정하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 만곡된 표면을 갖는 공작물에 초점 구역을 형성하기 위해, 펄스 레이저 빔, 특히 초단파 레이저 펄스의 빔 성형을 위한 광학 시스템이 개시되고, 여기서 초점 구역은 레이저 빔의 빔 축을 따라 세장형으로 형성된다. 이 광학 시스템은 간섭을 통해 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔의 빔 축에 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시키는 초점 형성 광학장치를 포함한다. 공작물에 레이저 빔이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정은 위상 보정 광학장치에 의해 제공되거나 또는 초점 형성 광학장치에 통합된다. 즉, 광학 시스템은 공작물에 레이저 빔이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정을 발생시키는 위상 보정 광학장치를 포함하거나, 또는 이러한 위상 보정이 초점 형성 광학장치에 통합된다.

추가 양태에서, 레이저 빔의 초점 구역에서 공작물의 재료를 수정함으로써 펄스 레이저 빔, 특히 초단파 레이저 펄스로 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 시스템이 개시되고, 여기서 초점 구역은 레이저 빔의 빔 축을 따라 세장형으로 형성되고, 공작물은 레이저 빔에 대해 대체로 투명하고 만곡된 표면을 갖는 재료를 포함한다. 레이저 가공 시스템은 레이저 빔을 출력하는 레이저 빔 소스, 위에서 설명된 바와 같은 광학 시스템, 및 공작물을 지지하는 공작물 홀더를 포함한다.

이 방법의 일부 개발예에서, 만곡된 표면은 일 방향으로 만곡될 수 있고, 레이저 빔의 빔 성형 단계는 공작물의 재료에 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔에 적어도 2차원 위상 분포를 부여하는 단계를 포함하고, 여기서 적어도 위상 분포는:

- 초점 형성 빔 성형 단계를 위해, 입사각에서 빔 성분의 입사를 발생시키는 (그리고 특히 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역의 형성을 위한 비-회절 빔을 생성하는) 제1 위상 기여부, 및

- 위상 보정 빔 성형 단계를 위해, 공작물에 진입할 때 레이저 빔에 의해 국부적으로 축적된 진입 위상을 상쇄하는 제2 위상 기여부를 포함할 수 있다.

이 방법의 일부 개발예에서, 국부적으로 축적된 진입 위상은 표면에 대한 빔 축의 충돌 지점에서 표면의 법선 방향을 따른 빔 축의 정렬을 위해 결정되고, 입사각, 충돌 지점에서 표면의 곡률 반경 및 공작물의 굴절률을 고려한다.

일반적으로 충돌 지점이라 함은 여기서 레이저 빔의 광축과 공작물(예를 들어 가공될 기판)의 교차점으로 이해된다. 이 방법의 일부 개발예에서, 제2 위상 기여부는 대칭축에 대해 축대칭인 위상 분포를 형성할 수 있고, 여기서 제2 위상 기여부는 대칭축에 평행하게 일정하고, 대칭축에 수직으로 변경된다. 이 방법은:

대칭축이 축대칭 위상 분포를 부여하는 위치와 공작물 사이의 빔 경로를 고려하여 표면의 곡률 반경이 정의된 평면에 직교하여 연장되도록 축대칭 위상 분포와 공작물을 서로 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 방법의 일부 개발예에서, 제1 위상 기여부 및/또는 제2 위상 기여부는 회절 광학 빔 성형 요소를 사용하여 레이저 빔의 횡방향 빔 프로파일에 부여될 수 있고, 여기서 회절 광학 빔 성형 요소는 위상 시프트 값이 각각의 표면 요소에 할당되는 표면 격자 구조를 형성하는 서로 인접한 표면 요소를 포함하고, 여기서 위상 시프트 값은 제1 위상 기여부 및/또는 제2 위상 기여부를 발생시킨다.

일부 개발예에서, 이 방법은:

세장형 초점 구역을 형성하기 위해 공작물의 재료에 레이저 빔을 이미징하는 광학 시스템의 빔 경로를 따라 표면으로 레이저 빔을 조사하는 단계, 및/또는

빔 축이 법선 방향 주위로 5°의 각도 범위에서 표면에 충돌하도록 레이저 빔의 빔 축을 표면의 법선 방향에 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 방법의 일부 개발예에서, 위상 보정 빔 성형 단계는 레이저 빔의 빔 경로에서 초점 형성 빔 성형 단계를 발생시키는 광학장치 상류에 또는 하류에 위치되는 원통형 렌즈에 의해 생성될 수 있다. 원통형 렌즈는 공작물의 표면의 곡률 반경에 적응된 곡률 반경을 가질 수 있다.

재료 가공 방법을 수행할 때 공작물의 진입 표면 전에 세장형 초점 구역이 시작되거나(Δz가 0보다 큼) 또는 세장형 초점 구역의 시작부가 공작물에 들어가는 것(Δz가 0보다 작음)을 고려하면, Δz = 0에 대해 각각 다음 언급된 조건에 상응하는 원통형 렌즈의 표면의 곡률 반경에 대한 다음과 같은 대략적인 정의가 형성된다:

실시예 Δz ≥ 0 (파라미터 a = 5060 mm^-2 및 b = 9645 mm^-1):

실시예 Δz ≤ 0 (파라미터 c = 284 mm^-1 및 d = 590):

여기서 각각

Rz는 원통형 렌즈의 곡률 반경/원통 반경이고,

nz는 원통형 렌즈의 굴절률이고,

Rw는 표면의 곡률 반경/외부 반경(Ra)이고,

nw 공작물의 재료의 굴절률이고,

M은 초점 형성 빔 성형의 위치와 공작물 사이의 빔 경로의 이미징 인자이다.

원통형 렌즈는 특수한 경우 z = 0에서 다음이 적용되는 방식으로 공작물의 표면의 곡률 반경에 적응된 곡률 반경을 가질 수 있다.

여기서 다시

Rz는 원통형 렌즈의 곡률 반경/원통 반경이고,

nz는 원통형 렌즈의 굴절률이고,

Rw는 표면의 곡률 반경/외부 반경(Ra)이고,

nw는 공작물의 재료의 굴절률이고,

M은 초점 형성 빔 성형 위치와 공작물 사이의 빔 경로의 이미징 인자이다.

원통형 렌즈의 표면의 곡률 반경(Rz)에 대한 전술한 설명은 재료 가공 방법이 수행될 때 세장형 초점 구역의 시작부가 공작물의 진입 표면과 일치하는 실시예에 적용된다. 즉, 진입 표면에 대한 세장형 초점 구역의 시작부의 시프트(Δz)가 없다(Δz = 0). 이러한 특수한 경우에, (이미징된) 액시콘 팁은 공작물의 표면에 가상으로 놓인다.

그러나, 팁 직후에는 비-회절 빔이 아직 강도가 높지 않아, 상면으로부터 후면까지 공작물을 연속적으로 가공하는 것이 가능하지 않다. 그 대신에, 예를 들어 (이미징된) 액시콘 팁이 표면 앞에 100 ㎛ 내지 200 ㎛에 배치될 수 있다(Δz는 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위, 즉, Δz ≥ 0). 이에 상응하여, 파라미터(a, b)에 기초한 원통형 렌즈의 곡률 반경의 추정이 사용되어야 한다.

이 방법의 일부 개발예에서, 출력 레이저 빔의 횡방향 빔 프로파일에 2차원 위상 분포가 부여된 레이저 빔의 빔 성형은:

- 2차원 배열에서 고정 설정되거나 또는 조정 가능한 위상 값을 갖는 회절 광학 빔 성형 요소; 또는

- 원통형 렌즈와 액시콘의 조합; 또는

- 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 비-회절 빔을 발생시키는 위상 분포, 특히 베셀 빔과 같은 위상 분포를 부여하도록 설계된 2차원 배열에서 고정 설정되거나 또는 조정 가능한 위상 값을 갖는 회절 광학 빔 성형 요소와 원통형 렌즈의 조합에 의해 수행될 수 있다.

이 방법의 일부 개발예에서, 레이저 빔의 빔 성형은 굴절 자유 형태 광학 요소 또는 하이브리드 광학 요소, 특히 입력측 원통형 렌즈와 출력측 액시콘으로 이루어진 광학 유닛으로 설계된 개별 광학장치에 의해 수행될 수 있다.

일부 개발예에서, 이 방법은:

초점 구역과 공작물 사이의 상대 이동을 발생시키는 단계 ― 초점 구역은 공작물의 재료에서 스캐닝 궤적을 따라 위치되어, 스캐닝 궤적을 따라 공작물의 재료에 복수의 수정이 새겨짐 ― 를 더 포함할 수 있다.

이 경우에, 공작물은 튜브, 실린더, 또는 절반 튜브 또는 절반 실린더와 같은 튜브 또는 실린더의 섹션으로 설계되고, 상대 이동은 공작물의 회전 이동을 포함할 수 있다. 레이저 빔의 빔 축은 특히 공작물의 종축을 통해 연장될 수 있다. 또한, 공작물의 종축에 대한 순수한 회전 이동의 경우, 레이저 빔의 스캐닝 궤적은 공작물의 표면의 최대 곡률 평면에서 연장될 수 있다. 대안적으로 또는 보완적으로, 추가적으로 또는 부분적으로 공작물의 종축 방향으로 병진 이동이 발생할 수 있다.

일부 개발예에서, 스캐닝 궤적은 공작물을 공작물의 종축을 따라 2 개의 부분으로 분할하기 위한 외부 윤곽일 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 궤적은 내부 윤곽에 의해 한정된 영역을 발생시키기 위해 공작물의 표면에서 폐쇄된 내부 윤곽으로 설계될 수 있다.

일부 개발예에서, 이 방법은:

빔 축을 따른 공작물의 표면의 위치를 모니터링하고 목표 위치로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 모니터링하고 조절하는 단계는 특히 회전 이동 시에 회전축이 공작물의 표면의 회전 대칭축으로부터 벗어나고 및/또는 공작물의 표면이 회전 대칭 표면 프로파일로부터 적어도 부분적으로 벗어나는 경우 수행될 수 있다.

일부 개발예에서, 이 방법은 레이저 빔의 스캐닝 궤적을 따른 만곡된 표면의 곡률의 변화에 위상 보정 빔 성형을 적응시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 궤적을 따른 만곡된 표면의 곡률의 사전 측정에 기초하여 및/또는 스캐닝 궤적을 따라 공작물과 초점 구역 사이의 상대 이동 중에 만곡된 표면의 곡률의 온라인 측정에 기초하여 위상 보정 빔 성형을 적응시키기 위한 제어 신호가 도출될 수 있다. 제어 신호는 그 후 위상 보정 빔 성형을 위해 제2 위상 기여부를 적응시키기 위해, 공간 광 변조기 또는 변형 가능한 미러와 같은 조정 가능한 빔 성형 요소로 출력될 수 있다.

일부 개발예에서 광학 시스템은 레이저 빔에 2차원 위상 분포를 부여하고 이를 비-회절 빔을 형성하는 레이저 빔, 특히 실제 또는 가상의 베셀형 레이저 빔으로 출력하도록 설정될 수 있고, 여기서 초점 형성 광학장치는 위상 분포의 제1 위상 기여부를 생성할 수 있고, 위상 보정 광학장치 또는 위상 보정부는 공작물에 진입할 때 레이저 빔에 의해 국부적으로 축적된 진입 위상을 상쇄하는 위상 분포의 제2 위상 기여부를 생성할 수 있다.

이 광학 시스템의 일부 개발예에서, 초점 형성 광학장치 및/또는 위상 보정 광학장치는 2차원 위상 분포의 위상 부여를 위해 레이저 빔의 횡방향 빔 프로파일에 제1 위상 기여부 및/또는 제2 위상 기여부를 부여하도록 설정되는 회절 광학 빔 성형 요소로 설계된다. 회절 광학 빔 성형 요소는 위상 시프트 값이 각각의 표면 요소에 할당되는 표면 격자 구조를 형성하는 서로 인접한 표면 요소를 포함할 수 있고, 여기서 위상 시프트 값은 제1 위상 기여부 및/또는 제2 위상 기여부를 발생시킨다. 대안적으로 또는 추가적으로, 초점 형성 광학장치는 초점 형성 위상 기여부를 생성하는 액시콘으로 설계될 수 있다. 또한, 대안적으로 또는 추가적으로, 위상 보정 광학장치는 제2 위상 기여부를 생성하고 레이저 빔의 빔 경로에서 초점 형성 광학장치 바로 상류에 또는 하류에 위치되는 원통형 렌즈로 설계될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 초점 형성 광학장치는 제1 위상 기여부 및 제2 위상 기여부를 생성하는 굴절 자유 형태 요소로 설계될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 초점 형성 광학장치 및 위상 보정 광학장치는, 제1 위상 기여부 및 제2 위상 기여부를 생성하고 특히 입력측 원통형 렌즈와 출력측 액시콘으로 이루어진 조합으로 설계되는 하이브리드 광학장치로서 설계될 수 있다.

이 광학 시스템의 일부 개발예에서, 위상 보정 광학장치는 2차원 위상 분포의 위상 부여를 위해 2차원 위상 분포가 조정 가능한 광학 요소로 설계될 수 있다. 이것은 예를 들어 공간 광 변조기 또는 변형 가능한 원통형 미러와 같은 회절 광학 빔 성형 요소로서 설계될 수 있다. 또한, 조정 가능한 광학 요소는 제어 신호에 따라 만곡된 표면의 보정될 곡률에 변화가 있을 때 위상 보정을 적응시키도록 설계될 수 있다.

일부 개발예에서, 이 광학 시스템은:

초점 형성 광학장치에 할당된 실제 또는 가상 초점 구역을 감소시키기 위한 텔레스코프 장치, 및/또는

빔 축을 따라 공작물의 표면의 위치를 결정하도록 설정된 거리 센서를 더 포함할 수 있다.

레이저 가공 시스템의 일부 개발예에서, 광학 시스템 및/또는 공작물 홀더는:

- 빔 축(5)이 법선 방향 주위로 5°의 각도 범위에서, 바람직하게는 법선 방향(N)을 따라, 표면에 충돌하도록 레이저 빔의 빔 축을 표면의 법선 방향에 정렬하고, 및/또는

- 공작물과 초점 구역 사이에 상대 이동을 발생시키도록 ― 초점 구역은 공작물의 재료에서 스캐닝 궤적을 따라 위치되고, 여기서 법선 방향에 대한 빔 축의 정렬은 표면의 프로파일에 적응됨 ― 설정된다.

일부 개발예에서, 레이저 가공 시스템은

빔 축을 따라 공작물의 표면의 위치를 결정하도록 배열되고 설정된 거리 센서, 및

거리 센서로 빔 축을 따른 공작물의 표면의 위치를 모니터링하고 이를 목표 위치로 조절하도록 설정된 제어기를 더 포함한다.

이 레이저 가공 시스템의 일부 개발예에서, 광학 시스템은 2차원 위상 분포가 조정 가능하도록 설계된 2차원 위상 분포의 위상 부여를 위한 위상 보정 광학장치를 포함할 수 있다. 이를 위해, 레이저 가공 시스템은 2차원 위상 분포를 공작물의 만곡된 표면의 보정될 곡률에 적응시키는 제어 신호를 조정 가능한 광학 요소에 출력하도록 설정된 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어 신호는 특히 스캐닝 궤적을 따른 만곡된 표면의 곡률의 사전 측정에 기초하여 또는 스캐닝 궤적을 따라 공작물과 초점 구역 사이의 상대 이동 중에 만곡된 표면의 곡률의 온라인 측정에 기초하여 제공될 수 있는데, 특히 제어 유닛에 의해 도출될 수 있다.

일부 개발예에서, 레이저 가공 시스템은 빔 축을 따라 공작물의 표면의 위치를 결정하도록 배열되고 설정된 거리 센서를 더 포함할 수 있다. 또한, 레이저 가공 시스템은 거리 센서로 빔 축을 따른 공작물의 표면의 위치를 모니터링하고 이를 목표 위치로 조절하도록 설정된 제어기를 더 포함할 수 있다.

요약하면, 본 명세서에 개시된 개념들에 따르면, 만곡된 표면을 갖는 투명 재료를 레이저 가공하기 위한 프로세스가 구현될 수 있다. 기초가 되는 광학 개념은 예를 들어 반경이 15 mm 미만인, 예를 들어 몇 10 ㎛ 내지 몇 밀리미터까지의 세장형 초점 구역에서 5 mm와 같은 몇 밀리미터의 반경을 갖는 유리 튜브의 가공을 허용한다.

여기서 기초가 되는 개념은 간섭을 통해 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔의 빔 축에 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시키는 초점 형성 빔 성형에 관한 것이다. 즉, 초점 형성 빔 성형은 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 비-회절 빔을 생성하는 빔 성형에 관한 것이다.

여기에는, 선행 기술로부터의 양태를 적어도 부분적으로 개선할 수 있게 하는 개념이 개시된다. 특히, 추가 특징 및 그 유용성은 도면을 참조하여 실시예들에 대한 다음 설명으로부터 나타난다.

도 1은 가우시안 빔과 비교하여 비-회절 빔을 명확하게 보여주는 이미지를 도시한다.
도 2는 재료 가공을 위한 레이저 가공 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 레이저 가공을 위한 빔 성형을 위한 광학 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 베셀 빔 초점 구역의 형성에 대한 만곡된 표면의 효과를 명확히 하기 위한 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 평면 공작물로의 진입 및 공작물의 만곡된 표면에 대한 보정을 위해 시뮬레이션된 베셀 빔 초점 구역의 강도 분포를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 만곡된 표면에 대한 보정이 없는 베셀 빔 초점 구역의 강도 분포를 도시한다.
도 7은 공작물 표면으로부터 초점 구역의 시작부의 시프트에 대한 원통형 렌즈의 곡률 반경의 예시적인 의존성을 그래프로 나타낸 것이다.
도 8a 내지 도 8f는 초점 형성 빔 성형 및 위상 보정 빔 성형을 위한 위상 분포 및 이들을 조합한 위상 분포를 도시한다.
도 9는 만곡된 표면을 갖는 공작물의 재료 가공을 위한 예시적인 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한다.
도 10은 수정된 공작물을 분리시키는 예시적인 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한다.
도 11은 비대칭으로 형성된 수정으로 수정된 공작물을 분리시키는 예시적인 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 절단된 내부 윤곽을 갖는 예시적인 공작물을 도시한다.

여기에 설명된 양태들은 특히 재료 가공에서 비-회절 방사선의 적용에 관한 것이다. 비-회절 빔("non-diffractive beams")은 아래 헬름홀츠 방정식을 만족하는 파동장에 의해 형성될 수 있고,

아래 공식의 횡방향(즉, x 및 y 방향) 종속성 및 종방향(즉, z 방향/전파 방향) 종속성으로의 명확한 분리 가능성을 갖는다.

여기서

는 종방향/축방향 및 횡방향 성분이 있는 파동 벡터

이고,

는 횡단 좌표(x 및 y)에만 의존하는 임의의 복소수 함수이다. 방정식 2의 z-의존성은 순수한 위상 변조를 나타내므로, 방정식 2를 푸는 함수의 강도

는 전파 불변이며, "비 회절"이라고 표시된다:

이러한 접근법은 예를 들어 타원-원통 좌표의 소위 마슈 빔(Mathieu-Strahlen) 또는 원형-원통 좌표의 소위 베셀 빔과 같이, 상이한 좌표계에서 헬름홀츠(Helmholtz) 방정식의 서로 다른 솔루션 클래스를 제공한다.

이를 위해 또한 J. Turunen 및 AT Friberg, "전파 불변 광학 범위", in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) 및 M. Woerdemann, "구조화된 광 필드: 광 트랩핑, 조작, 및 조직화의 애플리케이션", Springer Science & Business Media (2012)를 참조하도록 한다.

복수의 유형의 비-회절 빔을 더 양호한 근사로 구현할 수 있다. 이들 구현된 비-회절 빔은 본 명세서에서 단순함을 위해 또한 "유한하게 제한된 비-회절 빔", "비-회절 빔" 또는 "준 비-회절 빔"으로도 지칭될 것이다. 이것들은, 이론적인 구성과는 대조적으로, 유한한 성능으로 이어진다. 또한 이들에게 할당된 전파 불변성의 길이(L)도 유한하다.

도 1은, 종래의 가우시안 초점의 강도 표현과 비교하여(도 1의 이미지 (a)에서 가우시안 초점의 전파 거동 참조), 이미지 (b) 및 (c)에서 강도 표현을 사용하여 비-회절 빔의 전파 거동을 보여준다. 이미지 (a), (b) 및 (c)는 각각 z 방향으로 전파되는 가우시안 빔 또는 비-회절 빔의 초점을 통한 종단면(x-z 평면) 및 횡단면(x-y 평면)을 보여준다.

이미지 (b)는 회전 대칭, 비-회절 빔, 이 경우 베셀-가우시안 빔을 예시적으로 나타낸다. 이미지 (c)는 비대칭이 아닌 비-회절 빔을 예로 들어 나타낸다. 베셀-가우시안 빔의 경우 도 1의 이미지 (d) 및 (e)는 또한 중앙 강도 최대값의 세부사항을 보여준다. 따라서, 도 1의 이미지 (d)는 횡단 절단면(X-Y 평면)의 강도 곡선 및 X 방향의 횡단 강도 곡선을 나타낸다. 도 1의 이미지 (e)는 전파 방향의 단면에서의 중심 강도 최대값의 세부사항을 나타낸다.

비교를 위해 가우스 초점의 초점 직경

이 정의되고, 여기서 가우스 초점은 2차 모멘트에 의해 결정된다. 또한, 관련 특성 길이는 레일레이 길이(Rayleigh-Laenge)

로 정의되고, 이 레일레이 길이는 빔 단면이 두 배로 증가한 초점 위치에서 시작하는 거리로 정의된다. 또한, 준 비-회절 빔의 경우, 횡단 초점 직경

은 국부 강도 최대값의 횡방향 치수로 정의되고, 여기서 횡단 초점 직경

은 직접 인접한 반대측의 강도 최소값의 최단 거리로 제공된다(예를 들어, 강도가 25 %로 저하됨). 이를 위해 예를 들어 도 1의 이미지 (b) 및 (d)를 참조하도록 한다. 거의 전파 불변 강도 최대값의 종방향 범위는 준 비-회절 빔의 특성 길이(L)로 간주될 수 있다. 이것은 국부적 강도 최대값에서 시작하여, 각각 양의 그리고 음의 z 방향으로, 50 %로의 강도 저하로 정의되고, 도 1의 이미지 (c) 및 (e)를 참조하도록 한다.

여기서, 유사한 횡방향 치수, 예를 들어

의 경우, 비-회절 빔의 특성 길이(L)가 관련 가우스 초점의 레일레이 길이를 명확하게 초과하면, 특히

인 경우, 준 비-회절 빔이 가정된다.

베셀-유사 빔으로도 알려져 있는 (준-) 베셀 빔은 (준) 비-회절 빔 클래스의 예이다. 이러한 빔의 경우, 광축 부근의 횡방향 필드 분포

는 제1 종의 차수(n)의 베셀 함수를 근사적으로 따른다. 이러한 빔 클래스의 하위 집합은 생성하기 쉽기 때문에 널리 보급되어 있는 소위 베셀-가우시안 빔이다. 예를 들어, 시준된 가우시안 빔으로 굴절, 회절 또는 반사 설계의 액시콘을 조명함으로써 베셀-가우시안 빔이 형성될 수 있다. 관련 세장형 초점 구역 영역의 광축 부근에서의 관련 횡방향 필드 분포는 이 경우 가우스 분포로 둘러싸이는 (양호한 근사치로) 제1 종의 차수(0)의 베셀 함수를 근사적으로 따르며, 이는 도 1의 이미지 (d) 및 (e)를 참조하도록 하고, 여기서 표시된 강도 분포는 베셀 함수의 절대값의 제곱에 (양호한 근사치로) 대응한다.

투명 재료를 가공하는 데 사용될 수 있는 일반적인 베셀-가우시안 빔은 광축에서 중심 강도 최대값의 직경

을 갖는다. 관련 길이(L)는 쉽게 1 mm를 초과할 수 있다(도 1의 이미지 (b) 참조).

을 갖는 가우시안 빔의 초점은 반면 1 μm의 파장(λ)에서 오직

의 공기 중 초점 거리를 특징으로 한다(도 1의 이미지 (a) 참조). 재료 가공과 관련된 이러한 경우에, 따라서 관련 길이(L):

, 예를 들어 레일레이 길이의 100 배 이상 또는 심지어 500 배 이상에도 적용된다.

본 명세서에 설명된 양태는, 만곡된 표면을 갖는 공작물이 예를 들어 베셀-가우시안 빔의 간섭 기반 초점 구역에 형성된 것과 같은 비-회절 빔으로 기계 가공되어야 하는 경우, 만곡된 표면이 비-회절 빔의 형성에 영향을 줄 수 있다(근본적인 간섭)는 인식에 부분적으로 기초한다. 따라서, 평면 공작물을 가공하는 데 사용되는 것과 같은 빔 성형은 더 이상 효과적이지 않다. 이는 예를 들어 유리 또는 투명 세라믹으로 이루어진 가공될 튜브 또는 원통형의 경우와 같이, 곡률이 회전 대칭이 아니라 1차원으로 형성된 경우에 특히 그러하다.

또한, 비-회절 빔에 대한 이러한 영향은 하나의 가공 단계에서 보상될 수 있으므로, 예를 들어 특정 위상 부여가 이루어지는 비-회절 빔을 형성하기 위해 평면 공작물용으로 개발된 빔 성형 개념 또는 빔 성형 구성 요소가 사용될 수도 있다는 것이 인식되었다.

즉, 본 발명자들은, 만곡된 표면이 레이저 방사선의 전파에서 수차를 발생시키고 비-회절 빔의 공간 특성, 예를 들어 베셀 빔과 유사한 빔 프로파일이 더 이상 형성되지 않는다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 이러한 비-회절 빔은 재료 수정을 형성하기 위해 원하는 전체 길이에 걸쳐 더 이상 사용될 수 없다.

예를 들어 베셀 빔과 유사한 빔 프로파일을 사용하여 비-회절 빔의 형성 및 특성을 유지하기 위해, 여기에서는 위상 보정을 통해, 공작물에 진입할 때 발생하는 수차를 제거하는 것이 제안된다. 이 경우, 빔 경로에서의 위상 보정은 바람직하게는 여전히 가우스 형상의 또는 거의 가우스 형상의 레이저 빔 프로파일이 있는 영역에서 수행된다. 위상 보정은 특히 공작물에서 비-회절 빔, 예를 들어 베셀 빔과 유사한 빔 프로파일을 형성하는 데 사용되는 것과 같은 위상 부여 영역에서 수행될 수 있다. 펄스 레이저 빔에 대칭으로 정렬된 정사각형 만곡된 표면을 사용하면, 간단한 광학 부품으로 위상 보정을 수행할 수 있다. 기울어진 표면에서는, 보정에 필요한 광학 부품의 기하학적 구조는 매우 복잡해진다.

따라서, 공작물에 진입할 때 발생하는 수차에도 불구하고 튜브 또는 실린더의 재료에서 전파가 거의 방해받지 않는 비-회절 빔이 생성될 수 있음이 인식되었다. 위상 보정을 수행할 때, 펄스 에너지, 펄스 지속 시간, 및 초점 구역 기하학적 구조와 같은 파라미터가 적절하게 설정된 펄스 레이저 빔을 사용하여, 만곡된 표면을 갖는 공작물에 세장형 수정이 새겨질 수도 있다. 이러한 방식으로 생성된 구조적 수정은 평면 공작물에서와 마찬가지로 분리 프로세스를 가능하게 하거나, 또는 재료를 제거하는 데 사용될 수 있다.

도 2는 빔 소스(1A)의 펄스 출력 레이저 빔(3')의 빔 성형을 위한 광학 시스템(1B) 및 레이저 빔 소스(1A)를 갖는 레이저 가공 시스템(1)의 개략도를 도시한다. 빔 성형은 재료 가공을 위해 초점 구역(7)에서 비-회절 빔으로 포커싱될 수 있는 빔 프로파일을 갖는 펄스 레이저 빔(3)을 형성하기 위해 사용된다. 즉, 초점 구역(7)은 비-회절 빔에 의해 형성되고, 초점 구역(7)은 레이저 빔(3)의 빔 축(5)을 따라 세장형으로 형성된다.

초점 구역(7)은 가공될 공작물에 생성된다. 공작물은 예를 들어 유리, 사파이어, 투명 세라믹, 유리 세라믹과 같은 예를 들어 세라믹 또는 결정 설계에서 (사용된 펄스 레이저 빔(3)의 레이저 파장에 대해 대체로) 투명한 재료로 구성될 수 있다. 여기서 재료의 투명도는 선형 흡수를 의미한다. 예를 들어, 임계 플루언스/강도 미만의 광에 대해, "실질적으로" 투명한 재료는 예를 들어 수정부의 길이에 걸쳐, 입사광의 20 % 미만 또는 심지어 10 % 미만을 흡수할 수 있다.

도 2에서, 만곡된 표면(9A)을 갖는 공작물의 예로서 (예를 들어 유리) 튜브(9)가 입체적으로 표시된다. 튜브(9)는 외부 반경(Ra) 및 내부 반경(Ri) 및 벽 두께(Ra-Ri)를 갖는다. 도 2에서, 빔 축(5)은 표면(9A)의 법선 방향(N)을 따라 표면(9A)으로 지향되고, 충돌 지점(P)에서 충돌한다.

일반적으로, 출력 레이저 빔(3') 및 따라서 레이저 빔(3)은 개별 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 그룹의 형성, 파장, 스펙트럼 폭, 시간에 따른 펄스 형태, 펄스 에너지, 빔 직경 및 편광과 같은 빔 파라미터에 의해 결정된다. 재료 가공의 경우, 레이저 펄스는 예를 들어 펄스 에너지를 갖고, 이 펄스 에너지는 펄스 피크 강도로 이어져, 튜브 벽의 재료에 체적 흡수를 유발하여 원하는 기하학적 구조의 수정부를 형성한다.

전형적으로, 출력 레이저 빔(3')은 레이저 빔 소스(1A), 예를 들어 UKP 고출력 레이저 시스템에 의해 생성된 횡방향 가우시안 강도 프로파일을 갖는 시준된 가우시안 빔이다. 광학 시스템(1B)은 가우시안 빔으로부터, 세장형 초점 구역(7)의 형성을 가능하게 하는 빔 프로파일을 형성하고; 예를 들어, 광학 시스템(1B)의 빔 성형 요소(11)에 의해 일반 또는 역 베셀 빔 유사 빔 프로파일을 갖는 베셀-가우시안 빔이 생성된다. 빔 성형 요소(11)는 입사 출력 레이저 빔(3')에 횡방향 위상 프로파일을 부여하도록 설계된다. 빔 성형 요소(11)는 예를 들어 중공 원추형 액시콘, 중공 원추형 액시콘 렌즈/미러 시스템, 반사형 액시콘 렌즈/미러 시스템 또는 회절 광학 빔 성형 요소이다. 회절 광학 빔 성형 요소는 프로그래밍 가능한 또는 고정 기록된 회절 광학 빔 성형 요소, 특히 공간 광 변조기(SLM)(spatial light modulator)일 수 있다. 광학 시스템 및 특히 빔 성형 요소(11)의 예시적인 구성에 대해 서두에 언급된 WO 2016/079275 A1을 참조하도록 한다.

도 2는 예를 들어 텔레스코프 장치(13A), 미러, 렌즈, 필터 및 다양한 구성요소를 정렬하기 위한 제어 모듈과 같은 광학 시스템(1B)의 일부로서 다른 빔 가이드 구성요소(13)를 개략적으로 도시한다.

광학 시스템(1B)은 펄스 레이저 빔(3)을 공작물, 여기서는 튜브(9)의 벽에 포커싱하여, 여기에 세장형 초점 구역(7)이 형성된다. 세장형 초점 구역(7)은 여기에서, 가공될 공작물에서 레이저 펄스/레이저 펄스 그룹과의 상호 작용의 공간적 범위 및 이에 따라 재료의 수정부를 결정하는 3차원 강도 분포를 의미한다. 세장형 초점 구역(7)은 플루언스/강도가 있는 가공될 공작물에서의 세장형 체적 영역을 결정한다. 플루언스/강도가 가공/수정과 관련된 임계 플루언스/강도보다 높으면, 세장형 초점 구역(7)을 따라 세장형 수정부(15)가 공작물에 새겨진다.

레이저 가공과 관련하여, 목표 임계 강도에 대한 3차원 강도 분포가 적어도 10:1, 예를 들어 20:1 이상, 또는 30:1 이상, 또는 1000:1 이상의 종횡비(초점 구역 축에 대해 횡방향인 측방향 범위에 대한 전파 방향의 범위(축상 최대 직경))로 특징지어질 때, 세장형 초점 구역이라고 한다. 이러한 세장형 초점 구역은 유사한 종횡비를 갖는 재료 내의 수정부(15)로 이어질 수 있다. 일반적으로, 이러한 종횡비에서, 초점 구역(7)에 걸쳐 수정부(15)를 발생시키는 강도 분포의 측방향 범위의 최대 변화는 50 % 이하, 예를 들어 20 % 이하의 범위, 예를 들어 10 % 이하의 범위에 있을 수 있다. 이는 수정부(15)의 측방향 범위의 최대 변화에 대해서도 동일하게 적용된다.

일반적으로, 세장형 체적 흡수를 통해 투명 공작물을 가공할 때, 흡수가 발생하자마자, 이 흡수 자체 또는 그에 따른 재료 특성의 변화가 레이저 방사선의 전파에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 적용된다. 따라서, 수정을 위해 하류에서 추가로 사용되는 빔 성분을 상호 작용 구역의 초점 구역 축에 대해 각도를 이루어 공급하는 것이 유리하다. 이러한 에너지 공급에 대한 예는, 링 폭이 반경에 비해 일반적으로 작은 환형 원거리장 분포가 존재하는 비-회절 빔, 예를 들어 (종래의) 베셀-가우시안 빔(도 1 참조)이다. 회전 대칭 베셀-가우시안 빔의 경우, 상호작용 구역/초점 구역 축에는 기본적으로 이러한 각도를 갖는 방사형 빔 성분이 회전 대칭 방식으로 공급된다. 역 베셀-가우스 빔 그리고 균질화, 비대칭 또는 변조 (역) 베셀 빔과 같은 수정에도 유사하게 적용된다.

이러한 세장형 초점 구역으로 이어지는 빔 성형의 예가 도 3a 내지 도 6b에 도시되어 있다. 도면은, 예로서, 빔 경로를 통한 단면 평면에서, (방사형) 빔 성분(3A)(특히 도 4b 참조)이 레이저 빔(3)의 빔 축(5)에 공기 중에서 입사각(δ') 또는 재료에서 입사각(δ')으로 입사하는 것을 도시한다. 따라서, 세장형 초점 구역(7)은 (길이(L)에 걸쳐, 도 1 참조) 빔 성분(3A)의 간섭에 의해 공작물에서 빔 축(5)을 따라 형성될 수 있다.

세장형 (예를 들어, 베셀 빔 기반) 초점 구역의 형성은, 초점 구역의 전체 길이(L)에 걸쳐 에너지가 측방향으로 공급될 수 있고 보강 간섭 조건이 존재함을 전제로 한다.

공작물의 가공을 위해, 광학 시스템(1B)과 공작물 사이에 상대 이동이 발생하여, 수정부들(15)의 배열을 형성하기 위해 펄스 레이저 빔을 사용하여 초점 구역(7)이 상이한 위치에서 공작물에 조사될 수 있다. 상대 이동은, 수정부들이 스캐닝 궤적(T)을 따라 정렬되는 방식으로 제어된다. 도 2에서 스캐닝 궤적(T)을 나타내는 화살표는 (예를 들어 도 1에서 투영 평면, 즉, 튜브(9)의 단면에서) 공작물의 표면 위의 충돌 지점(P)의 이동을 나타낸다. 특히, 공작물과 초점 구역(7) 사이에 상대 이동이 이루어지며, 여기서 초점 구역(7)은 공작물의 재료에서 스캐닝 궤적(T)을 따라 (적어도 부분적으로) 반복적으로 위치된다. 따라서, 스캐닝 궤적(T)을 따라 공작물의 재료에 복수의 수정부들이 새겨질 수 있다.

튜브(9)의 원주형 가공(원주형 스캐닝 궤적(T))을 위해, 공작물 홀더(19)가 도 2에 도시되어 있고, 이 공작물 홀더에 의해 튜브(9)는 튜브(9)의 종축(A)을 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 지지 롤러(19A)가 예로서 표시되어 있다. 또한, 공작물 홀더(19)의 베이스 유닛(19B)이 튜브(9)가 종축(A)을 따라 시프트되는 것을 허용하거나 또는 광학 시스템(1B)으로부터의 거리를 조정할 수 있다.

대안적으로 또는 부가적으로, 공작물과 광학 시스템(1B) 사이의 상대 이동은 광학 시스템(1B)(또는 그 구성요소)을 이동시킴으로써 발생될 수 있다. 도 2는 초점 구역을 빔 축을 따라 위치시킬 수 있는 광학 시스템(1B)의 선형 변위 유닛(21)의 예를 도시한다. 방출되는 레이저 빔(3) 및 이에 따라 초점 구역 축을 공간적으로 정렬시킬 수 있게 하는 추가 가공 축이 제공될 수 있다.

스캐닝 궤적(T)에 따라, 튜브 조각이 분리되거나 또는 튜브 조각으로부터 구조가 절단될 수 있다. 도 10 및 11과 관련하여 설명되는 바와 같이, 이것은 예를 들어 열 소스(203) 및 냉각 소스(205)를 사용하여 행해질 수 있다.

레이저 가공 시스템(1)은 또한 특히 사용자가 작동 파라미터를 입력하기 위한 인터페이스를 포함하는 제어 유닛(23)을 포함한다. 일반적으로, 제어 유닛(23)은 레이저 가공 시스템(1)의 전기, 기계 및 광학 구성요소를 제어하기 위한 프로세서와 같은 전자 제어 부품을 포함한다. 예를 들어, 펌프 레이저 출력과 같은 레이저 빔 소스(1A)의 작동 파라미터, 광학 요소(예를 들어, SLM)를 설정하기 위한 파라미터, 광학 시스템(1B)의 광학 요소의 공간 정렬을 위한 파라미터, 및 (스캐닝 궤적(T)을 따라가기 위한) 공작물 홀더(19)의 파라미터가 설정될 수 있다(이중 화살표(23A)로 표시됨).

도 2에는 또한 거리 센서(25)가 개략적으로 도시되어 있고, 이 거리 센서는 예를 들면, 광학 시스템(1B)에 배열되어 있다. 거리 센서(25)는 공작물과 광학 시스템 사이의 거리를 검출하도록 설정된다. 특히, 거리 센서(25)는 세장형 초점 구역에 대한 목표 위치에 대해 빔 축(5)을 따라 공작물(9)의 표면(9A)의 위치를 결정할 수 있다. 목표 위치는 각각의 공작물의 특정 재료 가공 상황 및 각각의 빔 성형에 대해 정의된다. 예를 들어, 목표 위치는 세장형 초점 구역의 시작부와 공작물/튜브(9)의 표면 사이의 (레이저 빔의 전파 방향으로 또는 반대 방향으로) 원하는 시프트(Δz)에 의해 지정될 수 있다. 예를 들어, 세장형 초점 구역의 시작부는 강도가 최대 강도의 50 %로 증가한 Z 방향의 위치에 있을 수 있다. 세장형 초점 구역의 시작부가 공작물의 표면과 일치하는 것 외에, 목표 위치로서 시프트(Δz) > 0 이 설정될 수 있으며, 이 경우 세장형 초점 구역은 이미 튜브(9) 앞에서 형성되고 그 다음에 튜브(9)의 재료로 확장된다. 마찬가지로, 시프트(Δz) < 0 이 설정될 수 있으며, 이 경우 세장형 초점 구역은 튜브의 재료에서만 형성되거나 또는 적어도 튜브(9)의 재료에서 시작되어 형성된다.

거리 센서(25)는 제어 유닛(23)에 거리 데이터를 출력하며, 이 제어 유닛은 예를 들어 공작물 홀더(19) 또는 선형 변위 유닛(21)을 통해 미리 결정된 목표 위치에 대해 거리를 조절할 수 있다. 거리 센서는 예를 들어 공초점 백색광 센서, 백색광 간섭계(예를 들어, 광학 간섭 단층 촬영기) 또는 정전 용량 센서로 설계될 수 있다.

특히, 거리 센서(25)는 사전 측정 단계에서 또는 가공 중에 가공 광학장치에 대한 공작물의 위치 및/또는 공작물의 기하학적 구조를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, (위치될) 회전하는 공작물이 회전 시 약간의 흔들림, 특히 강한 흔들림으로 공작물 홀더(19)에 장착되는 일이 발생할 수 있다. 이 경우, 실제 가공 전에 사전 설정된 목표 위치에 대한 표면의 거리를 측정하고, 표면의 위치 데이터를 저장할 수 있다. 이를 위해, 제어 유닛(23)은, 레이저 빔(3)이 조사되지 않고, 가공될 궤적을 따라 공작물이 1회 이동되게 할 수 있다. 이러한 사전 측정 동안, 거리 센서(25)는 거리 데이터를 검출하고, 이를 거리 데이터가 저장되어 있는 제어 유닛(23)으로 출력한다.

또한, 거리 센서(25)는 사전 측정 단계에서 또는 가공 중에 공작물의 표면의 곡률을 측정하도록 설계될 수 있다. 곡률은 예를 들어 거리 데이터로부터 계산될 수 있다. 예를 들어 공작물의 표면의 곡률은 스캐닝 궤적을 따라 변할 수 있으므로, 스캐닝 궤적을 따라 표면의 곡률에 대한 데이터를 저장하고 나중에 위상 보정 빔 성형의 조정을 위해 사용하기 위해, 사전 측정에서 스캐닝 궤적을 이동한다. 대응하는 사전 측정은 차례로 제어 유닛(23)에 의해 제어될 수 있고, 검출된 곡률 데이터는 제어 유닛(23)에 저장될 수 있다.

또한, 제어 유닛(23)은 레이저 빔(3)의 파라미터를 설정할 수 있다.

본 개시의 범위 내에서, 특히 재료 가공을 위해 바람직하게는 펄스 레이저 방사선, 및 특히 초단파 레이저 펄스를 사용하는 본 명세서에 개시된 다양한 양태, 실시예 및 개발예에서 사용될 수 있는 레이저 빔(3)의 예시적인 파라미터는 다음과 같다:

레이저 펄스 에너지/레이저 펄스 그룹의 에너지(버스트): 예를 들어, mJ 범위 이상, 예를 들어 20 μJ 내지 5 mJ 범위(예를 들어, 1200 μJ), 일반적으로 100 μJ 내지 1 mJ 범위

파장 범위: IR, VIS, UV(예를 들어, 2 ㎛ > λ > 200 nm; 예를 들어, 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)

펄스 지속 시간(FWHM): 수 피코초(예를 들어, 3 ps) 이하, 예를 들어 수백 또는 수(십) 펨토초, 특히 초단파 레이저 펄스/레이저 펄스 그룹

버스트의 레이저 펄스의 개수: 예를 들어, 수 나노초(예를 들어, 40 ns)의 버스트의 시간 간격으로 버스트당 2 내지 4 개의 펄스(또는 그 이상)

수정부당 레이저 펄스의 개수: 수정부에 대한 레이저 펄스 또는 버스트

반복률: 일반적으로 0.1 kHz 초과, 예를 들어, 10 kHz

재료에서의 초점 구역의 길이: 20 ㎛ 초과, 최대 수 밀리미터

재료에서의 초점 구역의 직경: 1 ㎛ 초과, 최대 20 ㎛ 이상

(재료에서 생성된 수정부의 측방향 범위: 100 nm 초과, 예를 들어, 300 nm 또는 1 ㎛, 최대 20 ㎛ 이상)

2 개의 인접한 수정부 사이의 피드(d): 피드 방향에서 수정부의 적어도 측방향 범위(일반적으로 이 범위의 적어도 두 배, 예를 들어 이 범위의 4 배 또는 10 배(또는 그 초과))

여기서 펄스 지속 시간은 단일 레이저 펄스에 관한 것이다. 상응하게, 노출 시간은 공작물의 재료의 한 위치에서 단일 수정부의 형성으로 이어지는 레이저 펄스의 그룹/버스트를 나타낸다. 펄스 지속 시간과 같은 노출 시간이 주어진 피드 속도와 관련하여 짧으면, 하나의 레이저 펄스 및 레이저 펄스 그룹의 모든 레이저 펄스가 한 위치에서 단일 수정부에 기여한다. 더 낮은 피드 속도에서는, 서로 경계를 이루고 서로 병합되는 수정부들을 포함하는 연속 수정 구역이 발생할 수도 있다.

앞서 언급한 파라미터 범위는 예를 들어 최대 20 mm 이상(일반적으로 100 μm 내지 10 mm) 공작물로 돌출된 체적의 가공을 허용할 수 있다. 이러한 유형의 체적은 예를 들어 내부 반경이 100 μm 이상이고 외부 반경이 예를 들어 10 mm 범위인 튜브를 가공할 때 사용된다.

빔 성형은 도 2에서 편평한 회절 광학 빔 성형 요소(27)로 구현된다.

본 명세서에 개시된 공작물의 만곡된 표면(9A)에 대한 위상 보정 개념은 도 2에서 원통형 렌즈(29)에 의해 구현된다. 원통형 렌즈에 할당된 실린더 축은 도 2에서 튜브(9)의 축(A)을 따라 연장된다. 또한, 도 2에서는, 원통형 렌즈(29)가 (조정 가능하게 변형 가능한) 원통형 미러 또는 회절 광학 빔 성형 요소(29')의 위상 분포로서 구현될 수 있다는 것을 개략적으로 보여준다. 이 경우, 회절 광학 빔 성형 요소(29')는 영구적으로 새겨진 회절 광학 빔 성형 요소로서 설계될 수 있다. 또한, 회절 광학 빔 성형 요소(29')는 조정 가능한 회절 광학 빔 성형 요소로서 사용될 수 있다. 또한, 회절 광학 빔 성형 요소(27) 및 회절 광학 빔 성형 요소(29')는 하나의 회절 광학 빔 성형 요소로 결합될 수 있다. 조정 가능한 회절 광학 빔 성형 요소 또는 변형 가능한 원통형 미러는 수행될 위상 보정 빔 성형과 관련하여 제어 유닛(23)에 의해 제어되고 조정될 수 있다(도 2의 연결 라인(23A) 참조).

일반적으로, 회절 광학 빔 성형 요소는 출력 레이저 빔(3')의 횡방향 빔 프로파일에 위상 기여부를 부여하도록 설계되며, 여기서 회절 광학 빔 성형 요소는 서로 인접하는 표면 요소를 포함한다(도 2에서 빔 성형 요소(27)에 대한 예로서 도시된 표면 요소(27A) 참조). 표면 요소(27A)는 위상 시프트 값이 각각의 표면 요소(27A)에 할당되는 표면 격자 구조를 형성할 수 있다. 특별히 선택된 위상 시프트 값의 도움으로, 예를 들어 액시콘 또는 역 액시콘, 뿐만 아니라 원통형 렌즈도 회절적으로 시뮬레이션될 수 있다.

여기서, 회절 광학 빔 성형 요소 및 대응하는 굴절 광학장치 그리고 반사 광학장치 구현은 수행될 위상 보정과 관련하여 본질적으로 동등한 광학 수단으로 간주된다.

도 3a 및 도 3b는 빔 성형을 명확하게 하기 위해 광학 시스템에서 빔 경로의 직교 단면도를 (물리적으로는 아닌, 단지 개략적으로) 도시한다. 도 3a는 Z-Y 평면의 단면도를 나타내고, 도 3b는 Z-X 평면의 단면도를 나타낸다.

가공 광학장치는 (가우시안) 베셀 빔 생성을 위해 사용되며, 원추형 각도(γ)를 갖는 액시콘(31)을 포함하므로, 방사형 빔 성분은 각각 각도(δ)로 빔 축(5)으로 테이퍼지고, 제1 실제 베셀 빔 초점 구역(길이(10)에 걸친 간섭 구역(33))을 형성한다. 액시콘(31)은 2 개의 텔레스코프에 매립되어 있다. 상류에 위치된 텔레스코프(도시되지 않음)는 출력 레이저 빔(3')의 빔 직경을 액시콘(31), 일반적으로 빔 성형 요소에 적응시킨다. 도 3a 및 도 3b는 텔레스코프 렌즈(L1 및 L2) 및 초점 거리(f1 및 f2)를 갖는 하류에 위치된 텔레스코프 장치(13A)를 명확하게 도시하며, 이를 통해 액시콘 팁(31_S)이 공작물의 만곡된 표면에 대해 축소되어(축소 계수 M = fl/f2) 이미징된다. 이미징의 일반적인 목적은, (비-회절 레이저 빔의) 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 축소된 방식으로 간섭 구역(33)이 공작물에 이미징되는 것이다. 비-회절 레이저 빔은 충돌 지점(P)에서 공작물의 표면에 충돌한다. 일반적으로 여기서 충돌 지점이라 함은 레이저 빔의 광축과 공작물(예를 들어 가공될 기판)의 교차점으로 이해된다. 액시콘 팁(31_S)이 만곡된 표면에 이미징될 때, 진입 표면에 대한 비-회절 레이저 빔의 시작부의 시프트(Δz)는 없다(즉, Δz = 0). 도 3a의 예에서, 비-회절 레이저 빔의 시작부는 공작물의 표면 앞에서 Δz > 0의 양만큼 존재하며, 예를 들어 Δz는 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위에 있으므로, 이미 공작물의 표면에 재료를 가공하기에 충분한 강도가 있다. 도 5a를 참조하면, 비-회절 레이저 빔의 시작부는 또한 공작물 내에서만 발생할 수 있다(Δz < 0).

공작물에 이미징되어 진입한 후, 재료의 Z-Y 평면에 있는 방사형 빔 성분은 빔 축(5)을 향해 예를 들어 각도(δ')로 연장된다. 이것은 도 4a에 평면 표면(37)에 대해 (이상적인 전파; 수차 없음) 도시되어 있다. 방사형 빔 성분(3A)의 간섭은 전체 길이에 걸쳐 발생한다.

예시적인 강도 프로파일(I(x, z))이, 베셀 빔으로 생성될 수 있는 것과 같이, 도 5a에서 빔 축(5)(Z 방향)을 따라 도시된다. 관련 횡방향 강도 프로파일(I(x, y))이 도 5b에 도시되어 있다. 강도 프로파일은 도 1의 이미지 (b)에 해당한다.

목표는 만곡된 표면(9A)을 갖는 공작물에 대해 이러한 강도 프로파일을 달성하는 것이다. 그러나 이것은 곡률 평면에서 광학 경로를 보정하지 않고는 불가능하다.

도 4b(교란된 전파; 수차 있음)는 만곡된 표면(39)을 통해 베셀 빔 형태의 레이저 빔이 재료로 진입하는 것에 대한 문제를 도시한다. 곡률(즉, 국부적으로 경사진 입사각)로 인해, 방사형 빔 성분은 재료에서 빔 축(5)에 대해 변하는 각도(δ(r))로 진행한다. 간섭 조건은 베셀 빔의 경우 빔 축 주변의 중앙 영역에서 여전히 거의 평면의 표면이기 때문에 처음에만 (역 베셀 빔의 경우에는 단부에서만) 주어진다. 이는 예를 들어, 곡률 반경(R)이 5 mm이고 입사 레이저 빔(3)의 직경(D)이 예를 들어 250 ㎛ 내지 2 mm인 표면에 대한 상황이다.

이러한 만곡된 표면을 통한 진입의 상황에 대한 예시적인 강도 프로파일(I(x, z))이 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 도 6a는 강도 프로파일(I(x, z))을 나타낸다. 빔 축(5)(Z 방향)을 따라 높은 강도는 제한된 영역에 걸쳐서만 존재하고, 그 후 빔 축(5)으로부터 멀리 떨어진 곳에 다소 높은 강도의 구역이 형성된다는 것을 알 수 있다. 도 6b의 관련 횡방향 강도 프로파일(I(x, y))에서, 이들 축외 구역이 X 및 Y 방향으로 배열되어 있음을 알 수 있다.

만곡된 표면(39)을 통과할 때의 파면 수차는 따라서 전파 방향으로 강도의 상당한 손실을 갖는 초점 분포를 발생시켜, 특히 더 깊은 영역의 광학적 가공이 더 이상 가능하지 않게 된다.

도 3b로 돌아가서, Z-X 평면에서 튜브(9)의 만곡된 표면(9A)으로 인해, 전체 의도된 길이에 걸쳐 연장되는 비-회절 빔의 형성(즉, 특히 더 깊은 영역에서의 보강 간섭)은 Z-X 평면에서 보상 없이는 더 이상 제공되지 않는데, 공작물에서의 간섭에 관한 조건이 간섭 구역(33)에서의 조건과 다르기 때문이다. 따라서 보상 없이는 공작물에서 원하는 강도 분포가 더 이상 생성되지 않는다.

여기서 제안된 위상 보상 개념이 구현되었다고 전제하면, 보정 위상은 방사형 빔 성분이 또한 Z-X 평면에서 빔 축(5)을 향해 실질적으로 각도(δ')로 테이퍼지도록 재료 내의 레이저 빔의 프로파일에 영향을 미친다.

위상 보상을 위해, 도 3a 및 도 3b의 구조에서 액시콘(31) 앞에, 굴절 효과가 튜브(9)의 단면 평면에 있는 원통형 렌즈(35)가 위치된다. 대안적인 배열을 예시하기 위해, 가공 광학장치의 빔 경로에서 액시콘(31)의 바로 하류에 연속하여 위치되는 원통형 렌즈(35')가 도 3b에서 파선으로 도시된다. 원통형 렌즈(35, 35')는 축대칭 위상 분포가 부여되는 위치를 나타낸다.

원통형 렌즈는 표면의 곡률 반경(Ra) 및 굴절률(nw)로 공작물의 수차를 보상하기 위해 굴절률(nz), 실린더 반경(Rz) 및 초점 거리(fz)를 갖는다.

원통형 렌즈(35)를 제외하고, 도 3a 및 도 3b의 구조의 광학장치는 회전 대칭 액시콘(31)의 경우 빔 축(5)에 대해 회전 대칭인 것으로 이해되어야 한다.

원통형 렌즈(35)로 인해, 액시콘(31)을 따르는 간섭은, 예를 들어 Z-Y 평면의 간섭 구역(33)의 조건이 Y-X 평면의 조건과 다르기 때문에, 더 이상 회전 대칭 방식으로 형성되지 않는다.

도 2 및 도 3a 및 도 3b에 도시된 광학 시스템은 만곡된 표면을 갖는 공작물에 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔을 빔 성형하기 위한 광학 시스템의 예이며, 여기서 초점 구역은 레이저 빔의 빔 축을 따라 세장형으로 형성된다. 여기서, 광학 시스템은 한편으로 간섭에 의해 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해(즉, 비-회절 빔을 형성하기 위해) 레이저 빔의 빔 축에 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시키는 초점 형성 광학장치를 포함한다. 다른 한편으로, 공작물에 레이저 빔이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정부가 광학 시스템에 제공된다. 위상 보정부는 일반적으로 회절, 굴절 및/또는 반사로 구현될 수 있다. 이는 예를 들어, 위상 보정 (별도의) 광학장치로 제공되거나 또는 초점 형성 광학장치에 통합될 수 있다.

보상 광학장치로서 원통형 렌즈(35, 35')를 사용하기 위해, 원통형 렌즈(35, 35')는 액시콘 또는 회절 광학 요소(빔 성형 요소(27))의 평면에서 가능한 한 가까워야 한다(가능한 한 바로 앞 또는 바로 뒤).

원통형 렌즈 표면의 곡률 반경(Rz)의 선택은 공작물에 대한 비-회절 빔의 상대적인 위치, 특히 공작물의 진입 표면에 대한 세장형 초점 구역의 시작부에 따라 달라진다.

진입 표면에 대한 세장형 초점 구역의 시작부의 시프트(Δz)가 존재하지 않는 경우(Δz = 0), 원통형 렌즈의 곡률 반경(Rz)은 양호한 근사치로

및

로부터 계산되고

여기서

Rz: 원통형 렌즈의 곡률 반경,

nz: 원통형 렌즈의 굴절률,

Rw: 공작물의 표면의 곡률 반경,

nw: 공작물의 재료의 굴절률, 및

M: M = fl/f2 ― 위상 분포가 부여되는 위치와 공작물 사이의 빔 경로의 이미징 인자.

세장형 초점 구역이 공작물의 진입 표면 앞에서 시작하거나(Δz가 0보다 큼) 또는 공작물에 들어가는 것(Δz가 0보다 작음)을 고려하면, Δz = 0에 대해 각각 다음 조건에 상응하는 원통형 렌즈의 표면의 곡률 반경(Rz)에 대한 다음과 같은 대략적인 정의가 형성된다.

Δz > 0(추가 파라미터 a = 5060 mm^-2 및 b = 9645 mm^-1):

Δz ≤ 0(추가 파라미터 c = 284 mm^-1 및 d = 590):

도 7에 도시된 그래프는 다음 파라미터의 가정 하에 시프트(Δz)에 따른 곡률 반경(Rz)의 예시적인 함수(위 정의로부터의 합성됨)를 보여준다:

- 광학 시스템의 이미징 인자 M = 10,

- 공작물의 재료의 굴절률 n_w= 1.5,

- 공작물의 표면의 곡률 반경 Rw= 3.5 mm,

- 원통형 렌즈의 굴절률 n_z= 1.5.

Δz < 0에 대한 대략적인 선형 프로파일 및 Δz > 0에 대한 대략적인 2차 프로파일을 볼 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, "양의" 아치형 유리 튜브(절단면에서 볼록)에 대해 "음의" 원통형 렌즈 곡률(오목)이 제공된다. 즉, 원통형 렌즈에 의한 위상 분포는 산란 효과를 갖는다(유리 튜브에 진입할 때 발생하는 것과 같은 수집 효과가 아님). 당업자는 본 명세서에 개시된 개념이 "양의" 원통형 렌즈 곡률(볼록)을 제공함으로써 (예를 들어, 트로프(trough)를 갖는 로드(rod)를 따라 레이저 가공하기 위해) 오목하게 만곡된 표면을 갖는 공작물을 기계 가공할 수도 있음을 이해할 것이다.

곡률 반경은 여기서 일반적으로 절단될 공작물/튜브 섹션의 종축을 가로지르는 절단면에 있는 것으로 간주된다. 곡률 반경은 절단면에서 볼록한 형상(둥근 튜브 표면)을 갖는 공작물에 대해 오목한 형상과 반대이다. 보정 광학장치의 곡률(또는 상응하는 위상 프로파일에 할당될 수 있는 "곡률")은 공작물의 곡률에 따라 반전된다. 이것은 계수(-1)에 의해 위의 공식으로 표시된다. 공작물의 오목한 형상에 대해 0 미만/음의 원통형 렌즈의 곡률 반경(Rz)이 도 7에서 볼 수 있다. 따라서, 공작물의 볼록한 형상에 대해서는 0 초과/양의 원통형 렌즈의 곡률 반경(Rz)이 형성된다. 당업자는 평면-볼록 또는 평면-오목 원통형 렌즈(도 2 참조)에 외에, 상응하는 굴절 거동을 갖는 양면에서 만곡된 상응하는 렌즈가 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

당업자에 의해 추가로 이해되는 바와 같이, 회절 광학 빔 성형 요소 및/또는 굴절 및/또는 반사 광학장치가 수행될 위상 보정을 위해 사용될 수 있다. 회절 광학 빔 성형 요소를 갖는 위상 분포 실시예가 도 8a 내지 도 8f를 참조하여 아래에서 설명된다.

예시적인 위상 분포가, 2° 액시콘 및 1000 mm 원통형 렌즈에 해당하는 위상 프로파일에 기반한 현실적인 레이저 가공의 경우에 대해, 예를 들어, 직경 1 인치의 DOE의 중심 컷아웃에 대해 도 8a 내지 도 8c에 도시된다. 2° 액시콘에 대한 위상 분포가 조합된 위상 분포를 지배하기 때문에, 도 8d 내지 도 8f는, 명확히 하기 위해, 0.5° 액시콘 및 200 mm 원통형 렌즈에 할당될 수 있는 위상 프로파일에 기반한 예시적인 경우를 도시한다.

도 8a는 초점 형성 빔 성형을 발생시키는 회절 광학 요소에 대한 2차원 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)[in rad]를 도시한다. 특히, 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)는 (베셀-가우시안 빔을 생성하기 위해) 입사 가우시안 빔에 대칭 베셀 빔 위상 분포를 부여할 수 있다. 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)에서 -PI와 +PI 사이에서 톱니 모양으로 방사형으로 연장되는 환형으로 연장되는 일정한 위상 시프트 값을 볼 수 있다. 위상 시프트 값은 빔 성형의 제1 위상 기여부(25A)를 나타내고, 간섭을 통해 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔의 빔 축에 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시킨다. 세장형 초점 구역은 대략 2° 액시콘(γ = 2°)으로 생성된 초점 구역에 해당한다.

도 8b는 세장형 초점 구역을 갖는 5 mm의 외부 반경을 갖는 튜브를 가공할 때와 같이 위상 보정 빔 성형을 발생시키는 회절 광학 요소에 대한 2차원 위상 분포 PHI_ZYL(x, y)를 도시하고, PHI_BESSEL(x, y)가 생성되는 위상 분포의 경우와 같이 사용될 수 있다. 위상 프로파일은 실린더 반경이 "

"인 1000 mm 원통형 렌즈의 위상 곡선과 거의 일치한다.

X 방향에서 -PI와 +PI 사이의 톱니 모양과 유사한 형태로 X 방향으로 직각으로 연장(증가)되고 빔 성형의 제2 위상 기여부(25B)를 나타내는 Y 방향의 일정한 위상 시프트 값을 인식할 수 있다. 제2 위상 기여부(25B)는 대칭축(S)에 대칭인 위상 분포를 형성하고, 여기서 제2 위상 기여부(25B)는 (y-방향으로) 대칭축(S)에 평행하게 일정하고, 대칭축(S)에 수직으로 변한다.

이미징 인자(M) = 10 및 원통형 렌즈 및 튜브에 대한 상응하는 일반적인 굴절률을 가정하면, 제2 위상 기여부(25B)는, 5 mm의 외부 반경을 갖는 튜브에 진입할 때 레이저 빔에 의해 국부적으로, 즉, 만곡된 표면의 표면 요소에 축적되는 진입 위상을 상쇄할 수 있다.

2차원 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y) 및 위상 분포 PHI_ZYL(x, y)는 회절 광학 요소에 의해 함께 생성될 수 있다. 도 8c는 2차원 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)가 이미지상 우세한 대응하는 중첩된 2차원 위상 분포 PHI_total (x, y)를 도시한다.

위상 보정을 위한 축대칭 위상 프로파일의 베셀 빔 생성을 위한 점대칭 위상 프로파일의 중첩의 이미지를 명확히 하기 위해, 도 8d는 대략 0.5° 액시콘으로 생성된 초점 구역에 해당하는 세장형 초점 구역을 생성하기 위한 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)를 나타낸다. 도 8e는 약 -100 mm의 실린더 반경을 갖는 200 mm 원통형 렌즈의 위상 프로파일에 대략 대응하는 위상 프로파일을 갖는 2차원 위상 분포 PHI_ZYL(x, y)를 도시한다.

도 8f에서, 이제 중첩된 2차원 위상 분포 PHI-total (x, y)에서 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)의 대응하는 변형을 볼 수 있다. 도 8f의 위상 분포 PHI_BESSEL(x, y)를 사용하면 (M = 10일 때) 외부 반경이 1 mm인 튜브를 가공할 수 있다. 도 8d 내지 도 8f의 기초가 되는 파라미터는 순전히 위상 프로파일을 명확하게 하기 위한 것이며, 현실적인 예를 나타내기 위한 것이 아니라는 점에 다시 한번 주목해야 한다.

도 9는 만곡된 표면을 갖는 공작물을 레이저 가공하는 방법의 흐름도를 도시한다.

단계(101)에서, 공작물의 재료에 세장형 초점 구역을 형성하기 위한 레이저 빔의 빔 성형 단계가 수행된다. 빔 성형 단계는 회절 및/또는 굴절 및/또는 반사 광학장치의 배열체로 수행된다. 단계(101)는 초점 형성 빔 성형 단계(101A) 및 위상 보정 빔 성형 단계(101B)의 하위 단계를 포함한다.

초점 형성 빔 성형 단계(101A)는 간섭에 의해 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 레이저 빔의 빔 축에 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시킨다.

위상 보정 빔 성형 단계(101B)는 공작물에 레이저 빔이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향을 제거한다.

단계(101A 및 101B)는 또한 공통 위상 부여 단계에서 조합하여 수행될 수 있다. 따라서, 단계(101)에서, 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 2차원 위상 분포가 레이저 빔에 부여될 수 있고, 여기서 초점 형성 빔 성형을 위해 위상 분포는 입사각으로 빔 성분의 입사를 발생시키는 제1 위상 기여부를 포함하고, 및/또는 위상 보정 빔 성형을 위해, 공작물에 진입할 때 레이저 빔에 의해 국부적으로 축적된 진입 위상을 상쇄하는 제2 위상 기여부를 포함한다. 축적된 진입 위상은 표면에 대한 빔 축의 충돌 지점에서 표면의 법선 방향을 따라 빔 축을 정렬하기 위해 결정된다. 입사각(δ'), 충돌 지점에서 공작물의 표면의 곡률 반경(Rw), 및 공작물의 (특히 빔이 공작물에 진입하는 영역의 재료의) 굴절률(nw)을 고려한다.

단계(103)에서, 제2 위상 기여부의 위상 분포의 대칭축이 이러한 축대칭 위상 분포를 부여하는 위치와 공작물 사이의 빔 경로를 고려하여 표면의 (최대) 곡률 반경이 정의된 평면에 직교하여 연장되도록, 대칭 위상 분포와 공작물의 정렬이 수행될 수 있다.

단계(105)에서, 공작물의 재료가 세장형 초점 구역에서 구조적으로 수정되도록 레이저 빔의 빔 파라미터가 설정된다.

단계(107)에서, 레이저 빔은 세장형 초점 구역을 형성하기 위해 공작물의 재료에 레이저 빔을 이미징하는 빔 경로를 따라 공작물의 표면 상으로 조사된다. 이 경우, 레이저 빔의 빔 축은, 빔 축이 법선 방향 주위로 그리고 바람직하게는 법선 방향을 따라 5°의 각도 범위로 표면에 충돌하도록, 표면의 법선 방향으로 정렬될 수 있다(단계(107A)).

단계(103 및 107)와 관련해서는, 예를 들어 본 출원인의 독일 특허 출원 10 2020 103 884.4, "베셀 빔 가공 광학장치를 위한 조정 장치 및 방법"(출원일 2020년 2월 14일)에 설명된 배열체에 의해 조정 프로세스가 수행될 수 있다.

레이저 가공의 경우, 예를 들어, 액시콘 팁(31_S)(도 2 참조)은 세장형 초점 구역의 시작부로서 튜브(9)의 표면에 가상으로 이미징될 수 있다(Δz = 0). 대안적으로, 세장형 초점 구역의 시작부는 튜브(9)의 표면 앞에(Δz > 0) 또는 튜브(9) 내에만(Δz < 0) 있을 수 있다. 곡률 반경의 적절하게 조정된 선택을 가정하면, 바람직하게는 (빔 축을 따라) 빔 전파 방향으로 공작물에 대한 광학 시스템의 위치 설정은 수 100 마이크로미터, 예를 들어 ±200 ㎛의 z-위치 공차를 가질 수 있다.

조정을 위해, 조정 원통형 렌즈가 공작물 대신에 사용될 수 있다(전면은 가공될 튜브와 같이 휘고, 후면은 평면임). 레이저 가공을 위해, 상응하는 정밀한 교환이 가능해야 한다. 원통형 렌즈의 전면에 마킹이 적용될 수 있는데, 예를 들어 금속이 증착되거나 또는 문자가 칠해질 수 있다. 조정 원통형 렌즈의 하류에 텔레스코프가 배열되며, 이 텔레스코프의 초점면은 표면을 이미징하기 위해 카메라로 기록된다.

조정 프로세스의 제1 단계에서 마킹이 선명하게 이미징되도록 카메라는 조정 원통형 렌즈의 표면에 설정된다.

조정 프로세스의 제2 단계에서, 가공 광학장치는 조정 원통형 렌즈의 표면과 정렬된다. 여기에서 횡방향 위치(X/Y 방향) 및 종방향 위치(Z 방향)가 모두 조정되어야 한다.

횡방향 위치 설정을 위해, 튜브는 빔 경로에서 반대 방향으로 이동되고, 여기서 렌즈의 양쪽 가장자리는 쉽게 검출될 수 있고, 평균값은 횡방향 위치를 제공한다.

종방향 위치 설정을 위해, 액시콘에 있는 원시 빔의 가우시안 엔벨로프의 가상 평면이 검색된다. 테스트 원통형 렌즈가 너무 가까우면, 카메라는 베셀 빔 초점 구역을 인식하고, 테스트 원통형 렌즈가 너무 멀면, 카메라는 이미 링 분포를 인식한다. 빔 프로파일의 엔벨로프가 타원형이 아닌 가능한 한 원형으로 설계될 때, Z 방향에서 대체로 정확한 위치가 제공된다. 테스트 원통형 렌즈의 평면의 후면으로 인해, 카메라 이미지에는 거의 수차가 없다.

조정 프로세스의 제2 단계에서, Z 위치의 기준을 사용하여 원통형 렌즈를 공작물, 예를 들어 유리 튜브로 교체한다.

단계(109)에서, 공작물과 초점 구역 사이에 상대 이동이 발생하며, 여기서 초점 구역은 공작물의 재료에서 스캐닝 궤적을 따라 위치된다. 따라서, 스캐닝 궤적을 따라 공작물의 재료에 복수의 수정부가 새겨질 수 있다.

상대 이동은 단계(109)에서 공작물의 회전 이동으로서 제어될 수 있으며, 여기에서 레이저 빔의 빔 축은 특히 공작물의 종축을 통해 연장된다. 공작물의 종축에 대한 순수한 회전 이동의 경우, 레이저 빔의 스캐닝 궤적은 공작물의 표면의 최대 곡률 평면에서 연장될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 공작물의 표면 상의 임의의 스캐닝 궤적을 횡단하기 위해 공작물의 종축 방향으로의 병진 이동이 제어될 수 있다. 예를 들어, 공작물(9)을 공작물(9)의 종축을 따라 2 개의 부분으로 분할하기 위한 외부 윤곽(도 2의 예 참조) 또는 공작물(9)의 표면 상에 폐쇄된 내부 윤곽을 가로질러 내부 윤곽에 의해 한정된 영역을 발생시킬 수 있다(도 12a의 예 참조). 또한, 스캐닝 궤적은 표면에서 (실질적으로) 동일한 곡률을 갖는 하나 이상의 영역 및/또는 표면의 가변 곡률을 갖는 하나 이상의 영역에서 연장될 수 있다.

단계(111)에서, 빔 축을 따른 공작물의 표면의 위치가 모니터링되고 목표 위치(광학 시스템으로부터의 목표 거리)로 조절된다. 모니터링 및 조절하는 단계는 특히 회전 이동의 회전축이 공작물의 표면의 회전 대칭 축에서 벗어날 때 및/또는 공작물의 표면이 회전 대칭 표면 프로파일에서 적어도 부분적으로 벗어날 때 수행된다.

궤적이 가변 곡률을 갖는 영역에서 연장되는 경우, 단계(113)에서 위상 보정 빔 성형 단계(101B')가 각각의 경우에 존재하는 표면의 곡률에 대한 보상 효과에서 적응될 수 있다. 따라서, 각각의 경우에 존재하는 표면의 곡률에 대해, 공작물에 레이저 빔이 진입함에 의해 간섭에 미치는 영향이 제거될 수 있다. 위상 보정 빔 성형 단계는 예를 들어 빔 성형 요소의 2차원 위상 분포에서 각각의 경우에 존재하는 곡률을 고려하여 적응된다. 예를 들어, 일련의 수정부가 폐쇄된 내부 윤곽을 따라 새겨져야 하는 원추형으로 테이퍼지는 공작물 표면을 갖는 도 12b에 도시된 공작물을 참조하도록 한다. 예를 들어, 이러한 위상 보정을 위해 제공되는 제2 위상 기여부(25B)는 조정 가능한 SLM에서 그에 상응하게 적응될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 변형 가능한 미러의 곡률이 적응될 수 있다.

적응시키는 단계는 예를 들어 빔 가공 중에 수행되는 측정을 기반으로 할 수 있다. 공작물의 기하학적 구조에 대한 상응하는 빠른 분석 유닛이 제공되어야 한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 스캐닝 궤적을 따라 공작물의 기하학적 구조의 사전 측정이 단계(115)에서 수행될 수 있다. 사전 측정을 위해, 레이저 가공 시스템은 예를 들어 공작물의 기하학적 구조를 측정하기 위해 레이저 빔 소스(1A)를 활성화하지 않고 재료 가공을 위해 횡단할 스캐닝 궤적을 횡단할 수 있다.

위에서 논의된 예에서는 빔 성형 및 위상 보상을 위한 별도의 광학장치가 예로서 도시된다. 그러나, 이러한 광학장치는 단일 광학장치(예를 들어, 굴절/반사 자유 형태 요소 또는 회절 광학 요소)로 구현되거나 또는 하이브리드 광학 요소(입력 측의 원통형 렌즈, 출력 측의 액시콘)("Zaxicon")로 구현될 수 있다.

또한, 예를 들어, 텔레스코프(13A)의 장 초점 거리 렌즈(f1)는 하이브리드 액시콘 또는 회절 광학 요소에 포함될 수 있다. (베셀 빔과 같은 초점 구역과 같은) 실제 초점 구역을 이미징하는 것에 대한 대안으로서, (역 베셀 빔과 같은 초점 구역과 같은) 가상 초점 구역이 텔레스코프(13A)로 이미징될 수 있다.

튜브, 실린더 또는 절반 튜브 또는 절반 실린더와 같은 튜브 또는 실린더의 섹션과 같은 공작물이 여기에 설명된 가공 방법으로 가공될 수 있다.

레이저 기반 공작물 가공의 결과로서, 복수의 간격을 둔 수정부 또는 서로 병합된 수정부가 도입된 공작물이 존재한다. 튜브의 경우, 이것들은 예를 들어 튜브를 2 개의 섹션으로 분할하기 위해 원주 방향으로 도입된다(도 2 참조)(원주 방향 외부 윤곽을 따라 스캐닝).

또한, 내부 윤곽을 따라 만곡된 표면에 수정부가 도입될 수 있다(도 12a 및 도 12b 참조). 수정부는 추가적으로, 인접한 수정부들 사이에서 연장되거나 또는 일반적으로 수정부들 중 하나로부터 공작물의 재료 내로 무작위로 연장되는 크랙을 재료에 형성할 수 있다.

이전에 설명된 레이저 빔을 사용하여 공작물을 재료 가공하기 위한 방법은 만곡된 표면을 갖는 공작물을 2 개의 부분으로 분리시키는 프로세스의 제1 섹션을 나타낼 수 있다. 레이저 빔으로 재료 가공을 완료한 후, 공작물은 재료에 많은 수정부가 제공되지만, 두 개의 부분 사이에 수정되지 않은 재료로 이루어진 여전히 충분한 연결부가 존재하는 경우가 많다. 이에 따라, 공작물을 2 개의 부분으로 완전히 분리시키기 위해서는, 이러한 나머지 연결부를 제거하는 분리 프로세스의 제2 섹션이 필요하다.

제2 분리 프로세스 관련해서, 수정은 본 개시의 범위 내에서 예를 들어, 수정되지 않은 재료의 에칭 불가능한 상태로부터 수정된 재료의 에칭 가능한 상태로 재료를 변환하는 공작물의 재료의 구조적 변화를 나타내는 것이 추가된다. 따라서, 수정은 특히 수정되지 않은 재료에 비해 습식 화학 에칭성의 증가를 특징으로 할 수 있다. 따라서, 유리 튜브는 습식 열 에칭 프로세스 범위 내에서 2 개의 부분으로 분리될 수 있다. 이러한 습식 화학 에칭 프로세스는 특히 내부 윤곽을 따라 절단된 재료 영역을 제거하기 위해 사용될 수 있다.

공작물을 2 개의 부분으로 분리시키는 다른 접근법은, 재료의 수정이 마찬가지로 세장형 공동의 형성을 수반할 수 있다는 사실에 기초할 수 있다. 이런 경우이고, 그리고 유리 튜브에 충분히 많은 공동이 원주 방향으로 형성되어 있다면, 유리 튜브는 일련의 공동에 의해 형성된 약화된 선을 따라 (특히 자발적으로) 파손될 수 있다.

일련의 수정에 의해 공작물을 분리시키는 다른 접근법은 열 유도, 열 보조, 및/또는 열 진행 크랙 형성을 사용한다. 도 10 및 도 11과 관련하여, 가공된 공작물의 이러한 예시적인 열 분리 프로세스가 유리 튜브(201)의 예를 사용하여 설명되며, 여기서 유리 튜브(201)는 예를 들어 등간격 위치에서 원주 방향 궤적을 따라 비-회절 빔을 사용하여 수정된다.

열 보조 절단 프로세스를 위해, 도 2에 도시된 레이저 가공 시스템은 열 소스(203) 및/또는 냉각 소스(205)를 추가로 포함할 수 있다. 대안적으로, 열 소스(203) 및/또는 냉각 소스(205)는 상응하게 요구되는 자유도를 갖는 독립적인 분리 장치의 일부로서 제공될 수 있다. 열 소스(203) 및 냉각 소스(205)는 특히 수정 영역에서 유리 튜브(201)를 가열 또는 냉각하도록 설계된다. 이를 위해, 국부적 가열/냉각은 유리 튜브의 회전(도 10에서 화살표(206)로 표시됨)과 조합하여 수행될 수 있다. 국부적 가열은 예를 들어 공작물을 향하는 국부화된 화염, 또는 공작물을 향해 조사되는 CO2 레이저 빔으로 발생될 수 있다. (국부적인 또는 넓은 면적의) 냉각은 예를 들어, 공작물에 분무되거나 또는 예를 들어 공작물의 공동을 통해 흐르는 물-가스 혼합물을 사용하여 수행될 수 있다.

분리 프로세스는 3 개의 하위 단계(207A, 207B, 207C)를 포함할 수 있다. 이들은 도 10 및 도 11에서 유리 튜브(201)를 유리 튜브 부분(201A, 21B)으로 세분하는 경우에 대해 개략적으로 도시되어 있다. 분리 프로세스에서, 유리 튜브(201)는 유리 튜브(201)가 2 개의 유리 튜브 부분(201A, 201B)으로 절단되는 방식으로 열적 영향을 받는다.

도 10의 하위 단계(207A)에서 대칭 수정부들(209)의 배열을 갖는 유리 튜브(201)(사시도로 도시됨)를 볼 수 있다. 수정부(209)는 예를 들어 유리 튜브(201)의 표면으로부터 유리 튜브 내로 반경방향으로 연장된다. 수정부(209)는 예를 들어 원형 방식으로 유리 튜브 주위로 연장되는 구역(209A)에 존재한다. 다시 말해서, 수정부들(209)의 배열은 유리 튜브(201)의 표면의 확대된 (펼쳐진) 섹션(211)에서 볼 수 있는 바와 같이 유리 튜브(201) 주위로 한 번 연장된다. 도 10의 예에서, 수정부들(209) 각각은, 예를 들어 비-회절 빔으로서 수정부(209)를 생성하기 위해 유리 튜브(201)의 재료에 세장형 초점 구역을 형성하는 대칭 베셀-가우시안 빔의 도움으로 유리 튜브(201)의 재료에 회전 대칭으로 새겨졌다. 펼쳐진 섹션(211)의 추가 확대부(211A)에서, 수정부(209)로부터 크랙(213)이 발생한다는 것이 개략적으로 도시되어 있다. 크랙(213)은 수정부들(209) 사이에서 무작위로 배향되고 및/또는 (적어도 부분적으로) 점점 더 진행된다.

하위 단계(207A)에서, 유리 튜브(201)는 예를 들어 실린더 축 주위에서 회전축에 의해 연속적으로 회전될 수 있는 방식으로 유지된다. 유리 튜브(201)의 수정된 구역(209A)은 계속해서 가열된다. 이것은 예를 들어 화염(203A) 또는 CO2 레이저 빔에 의해 수행될 수 있다. 회전 속도는 이 경우 유리 튜브(201)의 1 회전 동안 상당한 냉각이 발생하지 않는 방식으로 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 유리 튜브(201)는 전체 재료 두께에 걸쳐 가열될 수 있어서, 유리 튜브(201)의 재료는 이 영역에서 팽창한다.

하위 단계(207B)에서, 유리 튜브(201)의 표면은 이제 가능한 한 급격하게 냉각된다. 이것은 예를 들어 유리 튜브(201)가 계속 회전하는 동안 유리 튜브의 넓은 영역에 분사되는 물-가스 혼합물(205A)을 사용하여 냉각함으로써 수행될 수 있다.

따라서, 유리 튜브(201) 재료의 외부/표면 근처 영역에서는 온도가 상당히 냉각되어, 유리 튜브(201)의 표면 상의 최소 온도 및 예를 들어 유리 튜브(201)의 내벽에 있는 수정부(209)의 구역(209A) 영역에서의 최대 온도를 갖는 큰 온도 구배가 형성된다. 큰 온도 구배로 인해, 유리 튜브(201)의 표면 상에 인장 응력(화살표(215))이 우세하고, 이로 인해 유리 튜브(201)의 표면 상에 가능한 한 완전하게 원주 방향으로 이어지는 초기 크랙(217)이 형성될 수 있다. 초기 크랙(217)은 도입된 수정부(209)를 따라 연장되고, 수정부(209)가 도입되었을 때 이미 발생한 크랙(213)을 부분적으로/섹션별로 기초로 할 수 있다.

하위 단계(207C)에서, 유리 튜브(201)는 외부로부터 가열되고(화염(203B)), 선택적으로 냉각 소스(205')로부터의 물-가스 혼합물(205B')에 의해 내부로부터 냉각된다. 이제 유리 튜브(201)의 전체 재료 두께에 걸쳐 온도 구배가 존재한다. 온도 구배는 초기 크랙(217)이 유리 튜브(201)의 벽을 통해 전파될 수 있음을 의미한다.

도 10에서 하위 단계(207C)는 작용하는 힘과 관련하여 절단된 튜브 상에 개략적으로 추가로 도시되어 있다(화살표(219A)는 유리 튜브(201) 내부 영역의 냉각으로 인한 응력을 설명하기 위한 것이고; 화살표(219B)는 유리 튜브(201)의 외부 영역의 가열로 인한 응력을 설명하기 위한 것임).

초기 크랙(217)은 유리 튜브(201)의 벽을 통해 완전히 연장되는 분리 크랙(221)으로 전환된다. 분리 크랙(221)이 유리 튜브(201) 주위를 완전히 연장되면, 유리 튜브는 부분(201A, 201B)으로 완전히 분리된다.

완전성을 위해, 단일 대칭 수정부를 발생시키는 초점 구역의 강도 분포 외에도, 예를 들어 비대칭(예를 들어, 한 방향으로 편평한) 수정부 또는 서로 평행하게 연장되는 복수의 수정부를 발생시키는 초점 구역의 강도 분포(도 1의 이미지 (c) 참조)로 이어지는 회절 광학 요소에 의해 위상 부여가 수행될 수 있음이 지적된다. 여기서, 수정부 또는 수정부들의 배열은 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 그룹으로 생성될 수 있다. 예시적인 위상 부여 및 강도 분포는 예를 들어 본 출원인의 독일 특허 출원 10 2019 128 362.0, "세그먼트화된 빔 성형 요소 및 레이저 가공 시스템"(출원일 2019년 10월 21일), 및 K. Chen 등, "비-회절 빔의 일반화된 액시콘 기반 생성", arXiv: 1911.03103vl [physics.optics] 2019년 11월 8일에 개시되어 있다.

이러한 비대칭 수정부들 또는 수정부들의 어레이는 마찬가지로 만곡된 표면을 갖는 재료를 가공하기 위해 본 명세서에 개시된 개념과 함께 이용될 수도 있다. 즉, 이러한 비대칭 수정을 위해 수행되는 빔 성형은 또한 재료에 진입할 때 위상 분포에 미치는 영향을 보정할 수 있는 위상 보정과 결합될 수도 있다.

도 11은 타원형으로 평평화된 수정부의 예를 사용하여 이러한 비대칭 수정에 대해 도 10과 관련하여 설명된 분리 프로세스와 유사한 열 분리 프로세스를 예시하고, 여기서 3 개의 대응하는 하위 단계(307A, 307B, 307C)가 수행된다. 3 개의 하위 단계의 세부 사항에 대해서는 도 10의 앞선 설명을 참조하도록 한다. 또한, 비대칭 수정부(309), 수정부(309)를 따라 연장되는 수정 구역(309A), 및 크랙(313)을 제외하고는, 대응하는 참조 번호가 도 11에 사용된다(도 11의 하위 단계(207A) 참조).

비대칭 수정부(309)이기 때문에, 크랙(313)은 비대칭 수정부들(309)의 어레이를 따라 더 크게 형성될 수 있다. 무작위로 분포된 크랙과 비교할 때, 크랙(313)은 부분적으로 중첩되거나 또는 적어도 서로 더 가깝게 돌출될 수 있다(도 11에 도시된 바와 같음).

하위 단계(207B)에서 ― 도 10의 초기 크랙(217)과 유사하게 ― 초기 크랙(317)이 도시되고, 이 초기 크랙은 실질적으로 크랙(313)을 따라 그리고 주로 유리 튜브(201)의 상부에서 비대칭 수정부(309)를 연결한다. 크랙(313)의 바람직한 방향에 의해, 이에 따라, 하위 단계(207B)에서 초기 크랙(317)의 형성 및 하위 단계(207C)에서 분리 크랙(321)의 형성이 단순화될 수 있다.

도 12a 및 도 12b는 스캐닝 궤적으로서의 내부 윤곽을 따라 튜브 벽에 일련의 수정부들이 도입된 개략적으로 가공된 공작물을 도시한다.

일정한 곡률을 갖는 공작물의 예로서, 도 12a는 일정한 외부 반경 및 1 mm 범위의 벽 두께를 갖는 종방향(y-방향)을 따라 연장되는 튜브 섹션(51)을 도시한다. 폐쇄된 내부 윤곽(55)을 따라 일련의 수정부들이 새겨짐으로써, 튜브 섹션(51)에서 외측면(튜브 섹션(51)의 외부 표면)에 실질적으로 원형인 개구부(53)가 생성되었다. 일정한 곡률로 인해 한 번 설정된 위상 보정 빔 성형이 새김 프로세스 중에 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있다. 새김 프로세스 후, 내부 윤곽(53) 내부의 튜브 섹션(51) 영역이 주변 재료로부터 완전히 분리되어 그에 따라 제거될 수 있도록, 습식 에칭 프로세스가 수행되었다. 도 12a에 도시된 튜브 섹션(51)의 단부(51A, 51B)는 각각 원주 방향 윤곽 절단의 결과일 수 있다.

가변 곡률을 갖는 공작물의 예로서, 도 12b는 벽의 외부 측면의 곡률 반경이 y-방향으로 증가하는 원추형 테이퍼지는 중공체(57)를 도시한다; 즉, 중공체(57)는 예를 들어 1 mm의 실질적으로 일정한 벽 두께로 y-방향을 따라 반경이 선형으로 감소한다. 상응하게, 중공체(57)의 표면이 가공될 때, 보정될 곡률은 y 위치에 따라 변한다.

도 12a에서와 같이, 폐쇄된 내부 윤곽(55')을 따라 벽에 일련의 수정부들이 새겨짐으로써, 본질적으로 원형인 개구부(53')가 중공체(57)에 생성되었다. 변하는 곡률로 인해, 스캐닝 궤적을 따라 위상 보정 빔 성형이 사용되었다.

예를 들어, 중공체(57)의 알려진 기하학적 구조에 기초하여, 위상 보정 빔 성형의 y-종속 적응이 수행될 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 궤적을 따라 가공하는 동안 곡률의 변화를 검출할 수 있고, 그에 따라 위상 보정 빔 성형을 조정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 또한 곡률을 검출하기 위해, 대응하는 곡률 데이터를 제어 유닛에 저장하고 그에 따라 위상 보정 빔 성형을 설정하기 위해, 레이저 가공 전에 폐쇄된 내부 윤곽(55')을 일단 개별적으로 횡단할 수 있다.

중공체(57)의 단부(57A, 57B)는 또한 예를 들어 원주 방향 윤곽 절단의 결과를 나타낼 수 있고, 여기서 윤곽 절단 각각은 각각의 경우에 존재하는 곡률에 적응된 자체 위상 보정 빔 성형으로 수행될 수 있다.

본 설명 및/또는 청구범위에 개시된 모든 특징들은 원래 개시의 목적을 위해 그리고 청구된 발명을 실시예들 및/또는 청구범위의 특징 조합과 독립적으로 한정하기 위해 서로 분리되고 독립적인 것으로 간주되어야 함이 명시적으로 강조된다. 모든 범위 표시 또는 유닛의 그룹의 표시는 청구된 발명을 한정할 목적으로 그리고 원래 개시의 목적을 위해, 특히 범위 표시의 한계로서 모든 가능한 중간 값 또는 유닛의 하위 그룹을 개시한다는 것이 명시적으로 확인된다.

Claims (25)

1. 펄스 레이저 빔(3)으로 공작물(9)을 재료 가공하기 위한 방법으로서,
   상기 공작물(9)은 상기 레이저 빔(3)에 대해 대체로 투명하고 만곡된 표면(9A)을 갖는 재료를 포함하고,
   상기 방법은:
   상기 공작물(9)의 상기 재료에 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위한 상기 레이저 빔(3)의 빔 성형 단계(단계(101)) ― 상기 빔 성형 단계는 회절, 반사 및/또는 굴절 광학장치의 배열체로 수행되고,
   - 간섭을 통해 상기 공작물(9)에서 빔 축(5)을 따라 상기 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 축(5)에 입사각(δ')으로 빔 성분(3A)의 입사를 발생시키는 초점 형성 빔 성형 단계(단계(101A)), 및
   - 상기 공작물(9)에 상기 레이저 빔(3)이 진입함에 의해 상기 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정 빔 성형 단계(단계(101B))를 포함함 ― , 및
   상기 공작물(9)의 상기 재료가 상기 세장형 초점 구역(7)에서 수정(modifizieren)되도록 상기 레이저 빔(3)의 빔 파라미터를 조정하는 단계(단계(105))를 포함하는 것인, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 만곡된 표면(9A)은 일 방향으로 만곡되고,
   상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 성형 단계는 상기 공작물(9)의 상기 재료에 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 상기 레이저 빔(3)에 적어도 2차원 위상 분포(PHI_BESSEL, PHI_ZYL, PHY_total)를 부여하는 단계를 포함하고,
   상기 적어도 위상 분포(PHI_BESSEL, PHI_ZYL, PHY_total)는:
   - 상기 초점 형성 빔 성형 단계를 위해, 상기 입사각(δ')으로 빔 성분(3A)의 상기 입사를 발생시키고, 특히 상기 공작물에서 상기 빔 축을 따라 상기 세장형 초점 구역의 형성을 위한 비-회절 빔을 생성하는 제1 위상 기여부(25A), 및
   - 상기 위상 보정 빔 성형 단계를 위해, 상기 공작물(9)에 진입할 때 상기 레이저 빔(3)에 의해 국부적으로 축적된 진입 위상을 상쇄하는 제2 위상 기여부(25B)를 포함하는 것인, 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 국부적으로 축적된 진입 위상은 상기 표면(9A)에 대한 상기 빔 축(5)의 충돌 지점(P)에서 상기 표면(9A)의 법선 방향(N)을 따른 상기 빔 축(5)의 정렬을 위해 결정되고,
   - 상기 입사각(δ'),
   - 상기 충돌 지점(P)에서 상기 표면(9A)의 곡률 반경(Rw), 및
   - 상기 공작물(9)의 굴절률(nw)을 고려하는 것인, 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제2 위상 기여부(25B)는 대칭축(S)에 대해 축대칭인 위상 분포를 형성하고, 상기 제2 위상 기여부는 상기 대칭축(S)에 평행하게 일정하고, 상기 대칭축(S)에 수직으로 변하며,
   상기 대칭축(S)이 상기 축대칭 위상 분포를 부여하는 위치와 상기 공작물(9) 사이의 빔 경로(13)를 고려하여, 상기 표면(9A)의 곡률 반경이 정의되어 있는 평면에 직교하여 연장되도록, 상기 축대칭 위상 분포와 상기 공작물(9)을 서로 정렬시키는 단계(단계(103))를 더 포함하는 것인, 방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 위상 기여부(25A) 및/또는 상기 제2 위상 기여부(25B)는 회절 광학 빔 성형 요소(15)를 사용하여 상기 레이저 빔(3)의 횡방향 빔 프로파일에 부여되고, 상기 회절 광학 빔 성형 요소(15)는 위상 시프트 값이 각각의 표면 요소(15A)에 할당되어 있는 표면 격자 구조를 형성하는 서로 인접한 표면 요소(15A)를 포함하고, 상기 위상 시프트 값은 상기 제1 위상 기여부(25A) 및/또는 상기 제2 위상 기여부(25B)를 발생시키는 것인, 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 상기 공작물(9)의 상기 재료에 상기 레이저 빔(3)을 이미징하는 광학 시스템의 빔 경로(13)를 따라 상기 표면(9A)으로 상기 레이저 빔(3)을 조사하는 단계(단계(107A)), 및/또는
   상기 빔 축(5)이 법선 방향(N) 주위로 5°의 각도 범위에서 상기 표면(9A)에 충돌하도록, 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 축(5)을 상기 표면(9A)의 상기 법선 방향(N)에 정렬시키는 단계(단계(107B))를 더 포함하는 것인, 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위상 보정 빔 성형 단계는, 상기 레이저 빔(3)의 빔 경로에서 상기 초점 형성 빔 성형 단계를 발생시키는 광학장치(27, 31) 상류에 또는 하류에 위치되는 원통형 렌즈(35, 35')에 의해 발생되는 것인, 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 원통형 렌즈(35, 35')는 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)의 곡률 반경에 적응된 곡률 반경을 가지므로, 상기 원통형 렌즈(35, 35')의 상기 곡률 반경(Rz)에 대해:
   - 파라미터 a = 5060 mm^-2 및 b = 9645 mm^-1 및 상기 만곡된 표면(9A) 앞으로 전파 방향의 상기 세장형 초점 구역(7)의 시작부의 시프트(Δz)를 사용하여 상기 만곡된 표면(9A) 앞에 상기 세장형 초점 구역(7)의 상기 시작부가 위치될 때:
   

   

   
   이 적용되고,
   - 파라미터 c = 284 mm^-1 및 d = 590 및 상기 만곡된 표면(9A) 앞으로 상기 세장형 초점 구역(7)의 상기 시작부의 시프트(Δz)를 사용하여 상기 만곡된 표면(9A) 뒤에 전파 방향의 상기 세장형 초점 구역(7)의 상기 시작부가 위치될 때:
   

   

   
   이 적용되고,
   - 상기 만곡된 표면(9A) 상에 상기 세장형 초점 구역(7)의 상기 시작부가 위치될 때:
   

   

   
   이 적용되고,
   여기서,
   nz: 상기 원통형 렌즈(35, 35')의 굴절률이고,
   Rw: 상기 표면(9A)의 곡률 반경(Ra)이고,
   nw: 상기 공작물(9)의 상기 재료의 굴절률이고,
   M: 상기 초점 형성 빔 성형의 위치와 상기 공작물(9) 사이의 상기 빔 경로의 이미징 인자인 것인, 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   출력 레이저 빔(3')의 횡방향 빔 프로파일에 2차원 위상 분포가 부여된 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 성형은:
   - 2차원 배열에서 고정 설정되거나 또는 조정 가능한 위상 값을 갖는 회절 광학 빔 성형 요소(27); 또는
   - 특히 변형 가능한 원통형 미러와 액시콘(31)의 조합; 또는
   - 원통형 렌즈(35, 35')와 액시콘(31)의 조합; 또는
   - 상기 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 위상 분포, 특히 베셀 빔과 같은 위상 분포를 부여하도록 설계된 2차원 배열에서 고정 설정되거나 또는 조정 가능한 위상 값을 갖는 회절 광학 빔 성형 요소(27)와 원통형 렌즈(35, 35') 또는 특히 변형 가능한 원통형 미러의 조합에 의해 수행되는 것인, 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 성형은, 굴절 자유 형태 광학 요소 또는 하이브리드 광학 요소, 특히 입력측 원통형 렌즈와 출력측 액시콘으로 이루어진 광학 유닛으로 설계된 개별 광학장치에 의해 수행되는 것인, 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점 구역(7)과 상기 공작물(9) 사이의 상대 이동을 발생시키는 단계(단계(109)) ― 상기 초점 구역(7)은 상기 공작물(9)의 상기 재료에서 스캐닝 궤적(T)을 따라 위치되어, 상기 스캐닝 궤적(T)을 따라 상기 공작물(9)의 상기 재료에 복수의 수정부가 새겨짐 ― 를 더 포함하고, 특히 상기 스캐닝 궤적(T)은 상기 공작물(9)을 상기 공작물(9)의 종축을 따라 2 개의 부분으로 분할하기 위한 외부 윤곽 또는 내부 윤곽에 의해 한정된 영역을 발생시키기 위해 상기 공작물(9)의 표면에서 폐쇄된 내부 윤곽인 것인, 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 공작물(9)은 튜브, 실린더, 또는 절반 튜브 또는 절반 실린더와 같은 튜브 또는 실린더의 섹션으로 설계되고, 상기 상대 이동은 상기 공작물(9)의 회전 이동을 포함하고, 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 축(5)은 특히 상기 공작물(9)의 종축(A)을 통해 연장되는 것인, 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 공작물(9)의 종축에 대한 순수한 회전 이동인 경우, 상기 레이저 빔(3)의 상기 스캐닝 궤적(T)은 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)의 최대 곡률 평면에서 연장되고, 및/또는
    추가적으로 또는 부분적으로 상기 공작물(9)의 상기 종축 방향으로 병진 이동이 발생하는 것인, 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 축(5)을 따른 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)의 위치를 모니터링하고 이를 목표 위치로 조절하는 단계(단계(111))를 더 포함하고,
    상기 모니터링하고 조절하는 단계는 특히, 회전 이동 시에 회전축이 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)의 회전 대칭축으로부터 벗어나고 및/또는 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)이 회전 대칭 표면 프로파일로부터 적어도 부분적으로 벗어나는 경우 수행되는 것인, 방법.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(3)의 상기 스캐닝 궤적(T)을 따른 상기 만곡된 표면의 곡률의 변화에 상기 위상 보정 빔 성형을 적응시키는 단계를 더 포함하고, 특히 상기 궤적(T)을 따른 상기 만곡된 표면(9A)의 곡률의 사전 측정에 기초하여 및/또는 상기 스캐닝 궤적(T)을 따라 상기 공작물(9)과 상기 초점 구역(7) 사이의 상대 이동 중에 상기 만곡된 표면(9A)의 곡률의 온라인 측정에 기초하여 상기 위상 보정 빔 성형을 적응시키기 위한 제어 신호가 도출되는 것인, 방법.
16. 만곡된 표면(9A)을 갖는 공작물(9)에 초점 구역(7)을 형성하기 위해 펄스 레이저 빔(3)의 빔 성형을 위한 광학 시스템(1B)으로서,
    상기 초점 구역(7)은 상기 레이저 빔(3)의 빔 축(5)을 따라 세장형으로 형성되고,
    상기 광학 시스템은:
    간섭을 통해 상기 공작물(9)에서 빔 축(5)을 따라 상기 세장형 초점 구역(7)을 형성하기 위해 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 축(5)에 입사각(δ')으로 빔 성분(3A)의 입사를 발생시키는 초점 형성 광학장치를 포함하고,
    상기 공작물(9)에 상기 레이저 빔(3)이 진입함에 의해 상기 간섭에 미치는 영향을 제거하는 위상 보정부는
    위상 보정 광학장치를 구비하거나, 또는
    상기 초점 형성 광학장치에 통합되는 것인, 광학 시스템.
17. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템(1B)은 상기 레이저 빔(3')에 2차원 위상 분포를 부여하고 이를 특히 실제 또는 가상의 베셀형 레이저 빔(3)으로 출력하도록 설정되며,
    상기 초점 형성 광학장치는, 특히 상기 공작물에서 상기 빔 축을 따라 상기 세장형 초점 구역의 형성을 위한 비-회절 빔을 생성하는 상기 위상 분포의 제1 위상 기여부(25A)를 생성하고,
    상기 위상 보정 광학장치 또는 상기 위상 보정부는, 상기 공작물(9)에 진입할 때 상기 레이저 빔(3)에 의해 국부적으로 축적된 진입 위상을 상쇄하는 상기 위상 분포의 제2 위상 기여부(25B)를 생성하는 것인, 광학 시스템.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 초점 형성 광학장치 및/또는 상기 위상 보정 광학장치는 2차원 위상 분포의 위상 부여를 위해, 상기 레이저 빔(3)의 횡방향 빔 프로파일에 상기 제1 위상 기여부(25A) 및/또는 상기 제2 위상 기여부(25B)를 부여하도록 설정되는 회절 광학 빔 성형 요소(27)로서 설계되고, 상기 회절 광학 빔 성형 요소(27)는 위상 시프트 값이 각각의 표면 요소(27A)에 할당되어 있는 표면 격자 구조를 형성하는 서로 인접한 표면 요소(27A)를 포함하고, 상기 위상 시프트 값은 상기 제1 위상 기여부(25A) 및/또는 상기 제2 위상 기여부(25B)를 발생시키고; 및/또는
    상기 초점 형성 광학장치는, 상기 초점 형성 위상 기여부(25A)를 생성하는 액시콘(31)으로 설계되고; 및/또는
    상기 위상 보정 광학장치는, 상기 제2 위상 기여부(25B)를 생성하고 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 경로에서 상기 초점 형성 광학장치 바로 상류에 또는 하류에 위치되는 원통형 렌즈(21)로서 설계되고; 및/또는
    상기 초점 형성 광학장치는, 상기 제1 위상 기여부(25A) 및 상기 제2 위상 기여부(25B)를 생성하는 굴절 자유 형태 요소로서 설계되고; 및/또는
    상기 초점 형성 광학장치 및 상기 위상 보정 광학장치는, 상기 제1 위상 기여부(25A) 및 상기 제2 위상 기여부(25B)를 생성하고 특히 입력측 원통형 렌즈와 출력측 액시콘으로 이루어진 조합으로 설계되는 하이브리드 광학장치로서 설계되는 것인, 광학 시스템.
19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 보정 광학장치는 2차원 위상 분포의 위상 부여를 위해 상기 2차원 위상 분포가 조정 가능한 광학 요소로서 설계되고, 특히 공간 광 변조기 또는 변형 가능한 원통형 미러와 같은 회절 광학 빔 성형 요소(27)로서 설계되며, 상기 조정 가능한 광학 요소는 상기 만곡된 표면(9A)의 보정될 곡률에 변화가 있을 때 제어 신호에 따라 상기 위상 보정을 적응시키도록 설계되는 것인, 광학 시스템.
20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점 형성 광학장치에 할당된, 실제 또는 가상 초점 구역을 축소시키기 위한 텔레스코프 장치(13A), 및/또는
    상기 빔 축(5)을 따른 상기 공작물(9)의 표면(9A)의 위치(P)를 결정하도록 설정된 거리 센서(25)를 더 포함하는 것인, 광학 시스템.
21. 펄스 레이저 빔(3)의 초점 구역(7)에서 공작물(9)의 재료를 수정함으로써 상기 펄스 레이저 빔(3)으로 상기 공작물(9)을 가공하기 위한 레이저 가공 시스템(1)으로서,
    상기 초점 구역(7)은 상기 레이저 빔(3)의 빔 축(5)을 따라 세장형으로 형성되고, 상기 공작물(9)은 상기 레이저 빔(3)에 대해 대체로 투명하고 만곡된 표면(9A)을 갖는 재료를 포함하고,
    상기 레이저 가공 시스템은:
    레이저 빔(3')을 출력하는 레이저 빔 소스(1A),
    제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 광학 시스템(1B), 및
    상기 공작물(9)을 지지하기 위한 공작물 홀더(19)를 포함하는 것인, 레이저 가공 시스템.
22. 제21항에 있어서,
    상기 광학 시스템(1B) 및/또는 상기 공작물 홀더(19)는:
    - 상기 빔 축(5)이 법선 방향(N) 주위로 5°의 각도 범위에서, 바람직하게는 상기 법선 방향(N)을 따라, 상기 표면(9A)에 충돌하도록 상기 레이저 빔(3)의 상기 빔 축(5)을 상기 표면(9A)의 상기 법선 방향(N)에 정렬시키고, 및/또는
    - 상기 공작물(9)과 상기 초점 구역(7) 사이에 상대 이동을 발생시키도록 ― 상기 초점 구역(7)은 상기 공작물(9)의 상기 재료에서 스캐닝 궤적(T)을 따라 위치되고, 상기 법선 방향(N)에 대한 상기 빔 축(5)의 상기 정렬은 상기 표면(9A)의 프로파일에 적응됨 ― 설정되는 것인, 레이저 가공 시스템.
23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 빔 축(5)을 따른 상기 공작물(9)의 표면(9A)의 위치(P)를 결정하도록 배열되고 설정된 거리 센서(25), 및
    상기 거리 센서(25)를 사용하여 상기 빔 축(5)을 따른 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)의 위치를 모니터링하고 이를 목표 위치로 조절하도록 설정된 제어기(23)를 더 포함하는 것인, 레이저 가공 시스템.
24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 시스템(1B)은 2차원 위상 분포가 조정 가능하도록 설계된 상기 2차원 위상 분포의 위상 부여를 위한 위상 보정 광학장치를 포함하고, 특히 공간 광 변조기와 같은 회절 광학 빔 성형 요소(27) 또는 변형 가능한 원통형 미러로서 설계되며,
    상기 2차원 위상 분포를 상기 공작물(9)의 상기 만곡된 표면(9A)의 보정될 곡률에 적응시키는 제어 신호를 상기 조정 가능한 광학 요소에 출력하도록 설정된 제어기(23)를 더 포함하고,
    상기 제어 신호는 특히 궤적(T)을 따른 상기 만곡된 표면(9A)의 곡률의 사전 측정에 기초하여 또는 스캐닝 궤적(T)을 따라 상기 공작물(9)과 상기 초점 구역(7) 사이의 상대 이동 중에 상기 만곡된 표면(9A)의 곡률의 온라인 측정에 기초하여 도출되는 것인, 레이저 가공 시스템.
25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 축(5)을 따른 상기 공작물(9)의 표면(9A)의 위치(P)를 결정하도록 배열되고 설정된 거리 센서(25), 및
    상기 거리 센서(25)를 사용하여 상기 빔 축(5)을 따른 상기 공작물(9)의 상기 표면(9A)의 위치를 모니터링하고 이를 목표 위치로 조절하도록 설정된 제어기(23)를 더 포함하는 것인, 레이저 가공 시스템.

Images