KR20230112726A

KR20230112726A - 준 비-회절 레이저 빔을 이용한 부분 투명 공작물의레이저 가공

Info

Publication number: KR20230112726A
Application number: KR1020237022766A
Authority: KR
Inventors: 요나스 클라이너; 다니엘 플람
Original assignee: 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-07-27
Also published as: WO2022122238A1; US20230311245A1; DE102020133145A1; EP4259373A1; CN116917077A

Abstract

본 발명은 준 비-회절 레이저 빔(5)을 이용한 공작물(9)의 재료 가공 방법에 관한 것으로서, 상기 공작물(3)은, 준 비-회절 레이저 빔(5)에 부분적으로 투명하고 선형 흡수를 갖는 재료를 포함한다. 이 방법은: 공작물(3)의 재료 가공을 위해 종 방향(z)으로 연장되는 초점 영역(7)을 갖는 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하기 위해 펄스 원시 레이저 빔(5')을 광학 빔 성형 시스템(13)에 조사하는 단계(103) ― 광학 빔 성형 시스템(13)에 의해, 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)을 형성하기 위해 원시 레이저 빔(5')의 빔 단면에 위상 부여가 수행됨 ― , 및 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)을 공작물(3)의 부분 투명 재료에 포커싱하여, 준 비-회절 레이저 빔(5)이 형성되고, 초점 영역(7)이 종 방향(z)을 따라 조정될 수 있는 강도 분포를 갖는 단계(107)를 포함한다. 위상 부여는, 위상 부여된 레이저 방사선이 공작물(3)의 부분 투명 재료에 포커싱될 때, 초점 영역(7)에서 준 비-회절 레이저 빔(5)의 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))가 종 방향(z)에서 적어도 대략 일정하도록 설정된다.

Description

준 비-회절 레이저 빔을 이용한 부분 투명 공작물의 레이저 가공

본 발명은 준 비-회절 빔을 이용한 부분 투명 공작물의 재료 가공 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저 가공 시스템에 관한 것이다.

선형 흡수와 관계없이, 고강도 레이저 방사선의 비선형 흡수를 통해 공작물을 가공할 수 있다. 이를 위해, 고강도 레이저 방사선의 비선형 흡수가 공작물의 재료에서 발생할 때, 고강도 레이저 방사선에 의해 공작물에 하나 이상의 수정부가 생성될 수 있다. 수정은 재료의 구조에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 드릴링, 유도 응력에 의한 절단, 굴절 거동의 수정의 발생, 또는 선택적 레이저 에칭을 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 본질적으로 투명한 공작물의 가공 분야에서 본 출원인의 출원 WO 2016/079062 A1, WO 2016/079063 A1 및 WO 2016/079275 A1을 참조하도록 한다. 레이저 가공을 위해 빔 전파 방향으로 종횡비가 높은 세장형의 가느다란 빔 프로파일을 제공할 수 있는 빔 성형 요소 및 광학 시스템이 예를 들어 앞서 언급한 WO 2016/079275 A1에 설명되어 있다.

부분 투명 공작물의 경우, 레이저 방사선에 대한 공작물의 재료의 선형 흡수 능력이 존재한다. 예를 들어, 부분 투명 공작물은 (조사된 레이저 방사선의 강도와 무관하게) 약 0.1/mm 내지 약 2.5/mm 범위의 흡수 계수를 갖는 흡수를 포함하며, 이는 재료 두께 밀리미터당 90 % 내지 10 % 범위의 일반적인 투과율, 예를 들어, 유리 두께 1 mm당 60 %에 해당한다. 부분 투명 공작물의 레이저 가공은, 레이저 방사선에 대해 본질적으로 투명한, 즉 무시할 수 있는 선형 흡수를 갖는 재료의 레이저 가공과, 재료에서 전파되는 레이저 방사선이 재료에 의해 추가적으로 선형 흡수된다는 점에서 다르다. 따라서, 레이저 방사선이 재료를 통해 더 멀리 전파될수록, 더 많은 레이저 방사선이 흡수된다.

본 개시의 일 양태의 목적은, 전파 방향으로 세장형인 초점 영역을 갖는 부분 투명 공작물의 레이저 가공을 가능하게 하는 것이다. 특히, 투명 공작물의 레이저 가공을 위해 개발된 빔 성형 접근법은 부분 투명 공작물에도 적용될 수 있어야 한다.

이러한 목적 중 적어도 하나는 본원의 청구항 제1항에 따른 공작물의 재료 가공 방법, 청구항 제14항에 따른 레이저 가공 시스템, 및 청구항 제19항에 따른 빔 성형 요소를 형성하는 방법에 의해 달성된다. 추가 실시예들은 종속 청구항들에 제공된다.

본 개시의 일 양태에서, 준 비-회절 레이저 빔을 이용한 공작물의 재료 가공 방법이 제공되고, 여기서 공작물은, 준 비-회절 레이저 빔에 부분적으로 투명하고 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함하며, 이 방법은:

공작물의 재료 가공을 위해 종 방향으로 연장되는 초점 영역을 갖는 준 비-회절 레이저 빔을 형성하기 위해 펄스 원시 레이저 빔을 광학 빔 성형 시스템에 조사하는 단계 ― 광학 빔 성형 시스템에 의해, 위상 부여된 레이저 방사선을 형성하기 위해 원시 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 수행됨 ― , 및

위상 부여된 레이저 방사선을 공작물의 부분 투명 재료에 포커싱하여, 준 비-회절 레이저 빔이 형성되고, 초점 영역이 종 방향을 따라 조정될 수 있는 강도 분포를 갖는 단계를 포함하고,

위상 부여는, 위상 부여된 레이저 방사선이 공작물의 부분 투명 재료에 포커싱될 때, 초점 영역에서 종 방향으로 준 비-회절 레이저 빔의 결과적인 강도 분포가 적어도 대략 일정하도록 설정된다.

다른 양태에서, 본 개시는 준 비-회절 레이저 빔을 이용한 공작물의 재료 가공을 위한 레이저 가공 시스템에 관한 것으로서, 여기서 공작물은, 준 비-회절 레이저 빔에 부분적으로 투명하고 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선의 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함한다. 레이저 가공 시스템은 펄스 레이저 빔을 출력하는 레이저 빔 소스, 및 종 방향으로 연장되는 초점 영역을 갖는 준 비-회절 레이저 빔을 형성하기 위해 레이저 빔을 빔 성형하기 위한 광학 빔 성형 시스템을 포함한다. 광학 빔 성형 시스템은 레이저 빔을 빔 직경을 갖는 원시 레이저 빔으로 출력하도록 구성된 빔 조정 광학장치, 및 원시 레이저 빔의 미리 정해진 빔 직경에 대해 위상 부여된 레이저 방사선을 형성하기 위해 원시 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여를 수행하여, 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)이 공작물(3)의 부분 투명 재료에 포커싱될 때 준 비-회절 레이저 빔(5)은 초점 영역에서 종 방향으로 적어도 대략 일정한 결과적인 강도 분포로 생성되도록 구성된 빔 성형 요소를 포함한다. 레이저 가공 시스템은 공작물을 지지하기 위한 공작물 홀더 ― 광학 빔 성형 시스템 및/또는 공작물 홀더는 준 비-회절 레이저 빔이 공작물의 재료에서 스캐닝 궤적을 따라 위치되도록 공작물과 준 비-회절 레이저 빔 사이의 상대적 이동을 발생시키도록 구성됨 ― 를 더 포함한다.

본 개시의 추가 양태에서, 준 비-회절 레이저 빔을 이용한 공작물의 재료 가공 방법이 제공되고, 여기서 공작물은, 준 비-회절 레이저 빔에 부분적으로 투명하고 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함하며, 이 방법은:

공작물의 재료 가공을 위해 종 방향으로 연장되는 초점 영역을 갖는 준 비-회절 레이저 빔을 형성하기 위해 펄스 원시 레이저 빔을 광학 빔 성형 시스템에 조사하는 단계 ― 광학 빔 성형 시스템에 의해, 초점 영역에서의 준 비-회절 레이저 빔이 종 방향으로 설정 가능한, 특히 가변적으로 또한 변하도록 설정되는 강도 분포를 갖는 방식으로 원시 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 수행됨 ― , 및

공작물의 부분 투명 재료에 조사될 때 초점 영역에서 종 방향으로 준 비-회절 레이저 빔의 결과적인 강도 분포가 적어도 대략 일정하도록 위상 부여를 설정하는 단계를 포함한다.

공작물의 재료 가공을 위해 종 방향으로 연장되는 초점 영역을 갖는 준 비-회절 레이저 빔을 형성하기 위해 위상 부여된 레이저 방사선을 출력하도록 구성된 광학 빔 성형 시스템에 펄스 원시 레이저 빔을 조사하는 단계 ― 광학 빔 성형 시스템에 의해, 초점 영역의 준 비-회절 레이저 빔이 선형 흡수를 고려하지 않고 종 방향으로 가변적인 강도 분포를 갖는 방식으로 원시 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 수행됨 ― ,

위상 부여된 레이저 방사선이 공작물의 부분 투명 재료에 조사될 때, 초점 영역에서 종 방향으로 준 비-회절 레이저 빔의 결과적인 강도 분포가 적어도 대략 일정하도록 위상 부여를 설정하는 단계, 및

재료 가공을 위한 준 비-회절 레이저 빔을 형성하기 위해 위상 부여된 레이저 방사선을 공작물의 부분 투명 재료에 조사하는 단계를 포함한다.

본 개시의 추가 양태는 원시 레이저 빔으로부터 준 비-회절 레이저 빔의 빔 성형을 위한 광학 빔 성형 시스템에서 공작물의 재료 가공에 사용하도록 제공되는 특히 회절 광학 빔 성형 요소를 형성하는 방법을 포함하고, 여기서 공작물은, 준 비-회절 레이저 빔에 부분적으로 투명하고 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함한다. 이 방법은:

특히 선형 흡수 파라미터를 측정함으로써, 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 부분 투명 재료의 선형 흡수 파라미터를 제공하는 단계;

준 비-회절 레이저 빔의 광축을 따라 공작물에서 달성될 결과적인 강도 분포로서 목표 강도 분포를 결정하는 단계 ― 광축을 따라 복수의 위치에서 공작물의 재료를 수정하기 위해, 적어도 부분적으로 목표 강도 분포의 강도는, 각각 존재하는 레이저 방사선 강도에 의존하는 비선형 흡수를 위한 강도 임계값을 초과함 ― ;

2차원 위상 분포가 부여되는 원시 레이저 빔의 횡방향 빔 프로파일, 특히 빔 직경을 규정하는 단계;

횡방향 빔 프로파일에 대한 2차원 위상 분포를 계산하는 단계 ― 이 계산하는 단계는:

- 횡방향 빔 프로파일을 특히 환형 형상으로 형성된 빔 단면 영역으로 세분화하는 단계,

- 초기 위상 분포로서 빔 단면 영역에 걸쳐 반경 방향에서 특히 동일한 선형 위상 기울기를 할당하는 단계, 및

- 빔 단면 영역에서 위상 기울기를 반복적으로 조정하고, 공작물의 광축을 따라 목표 강도 분포가 결과적인 강도 분포로서 생성되는, 선형 흡수를 보정하는 2차원 위상 분포가 존재할 때까지, 선형 흡수 파라미터에 의해 주어진 선형 흡수를 고려하여, 원시 레이저 빔이 광학 빔 성형 시스템을 통과한 후 공작물에서 광축을 따라 생성되는 강도 분포를 계산하는 단계에 의해 수행됨 ― ; 및

빔 성형 요소에 선형 흡수를 보정하는 2차원 위상 분포를 제공하는 단계를 포함한다.

또 다른 양태에서 본 개시는 준 비-회절 레이저 빔을 이용한 공작물의 재료 가공 방법에 관한 것으로서, 여기서 공작물은, 준 비-회절 레이저 빔에 부분적으로 투명하고 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함한다. 이 방법은:

펄스 원시 레이저 빔을 원시 레이저 빔을 빔 성형하기 위한 광학 빔 성형 시스템으로 조사하는 단계 ― 광학 빔 성형 시스템은, 원시 레이저 빔의 레이저 방사선이 광축에 대해 진입각 범위(부분 투명 재료에서 약 5° 내지 약 25° ― 이에 상응하여 공기 중에서 약 40°까지)에서 공작물에서 광축을 따라 배열된 복수의 위치로 안내되고 복수의 위치에 준 비-회절 레이저 빔을 형성하도록 원시 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여를 수행하도록 구성되고, 여기서 레이저 방사선이 부분 투명 재료에서 복수의 위치로 전파될 때 선형 흡수로 인해 강도 손실이 발생함 ― , 및

레이저 방사선이 진입각 범위로부터 복수의 각도로 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 안내되어, 부분 투명 재료에서 복수의 위치에서 강도 손실이 발생함에도 불구하고 각각의 경우 부분 투명 재료에 존재하는 레이저 방사선 강도에 의존하는 비선형 흡수에 대한 강도 임계값을 초과하는 방식으로 위상 부여를 설정하는 단계를 포함한다.

본 방법의 일부 추가 실시예에서, 원시 레이저 빔의 빔 단면에 대한 위상 부여는, 레이저 방사선이 공작물의 광축을 따라 배치된 복수의 위치로 광축에 대해, 공작물의 부분 투명 재료에서 특히 예를 들어 약 5° 내지 약 25° ― 이에 상응하여 공기 중에서 약 40°까지 ― 범위의 진입각을 포함하는 진입각 범위에서 안내되고 복수의 위치에서 결과적인 강도 분포를 갖는 준 비-회절 레이저 빔을 형성하도록 설정되고, 부분 투명 재료에서 복수의 위치로 레이저 방사선이 전파될 때 선형 흡수로 인한 강도 손실이 발생한다. 위상 부여는, 레이저 방사선이 진입각 범위로부터 복수의 각도로 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 안내되어, 부분 투명 재료에서 복수의 위치에서 강도 손실이 발생함에도 불구하고 비선형 흡수를 위한 강도 임계값을 초과하도록 설정되고, 여기서 부분 투명 재료에서의 비선형 흡수는 레이저 방사선의 각각의 경우에 존재하는 강도에 따라 달라진다.

본 방법의 일부 실시예에서, 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 제1 각도로 안내되는 레이저 방사선은 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 제2 각도로 안내되는 레이저 방사선에 대해 Pi/4 미만의 위상차를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 위상 부여는, 레이저 방사선이 복수의 위치로 회전 대칭적으로 안내되어 복수의 각도 각각이 국부적 원뿔각을 나타내도록 설정될 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 위상 부여를 설정하는 단계는 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역에 부여되는 반경 방향의 위상 기울기를 설정하는 단계, 및/또는 하나 이상의 위상 기울기가 부여되는 빔 단면 영역의 기하학적 파라미터를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 빔 단면 영역은 적어도 2 개의 환형 형상 또는 환형 세그먼트 형상으로 형성된 빔 단면 영역을 포함하며, 2 개의 환형 형상 또는 환형 세그먼트 형상으로 형성된 빔 단면 영역을 위한 위상 기울기는, 2 개의 환형 형상 또는 환형 세그먼트 형상으로 형성된 빔 단면 영역의 레이저 방사선이 2 개의 상이한 원뿔각으로 복수의 위치 중 공통 위치에 공급되도록 설정될 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 빔 단면 영역의 위상 부여를 설정하는 것 이외에, 초점 영역에서 준 비-회절 레이저 빔의 결과적인 강도 분포를 발생시키기 위해, 빔 단면 영역에 할당된 원시 레이저 빔 강도의 강도 성분을 설정하는 단계가 수행될 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 위상 부여는 원시 레이저 빔의 미리 정해진 횡방향 강도 분포, 특히 원시 레이저 빔의 미리 정해진 빔 직경, 및 공작물의 부분 투명 재료의 미리 정해진 선형 흡수에 대해 설정될 수 있다. 부분 투명 재료의 미리 정해진 선형 흡수와 다른 선형 흡수를 갖는 재료에 대해, 위상 부여가 변경되지 않은 상태에서, 원시 레이저 빔의 횡방향 강도 분포, 특히 빔 직경이 복수의 위치 중 하나의 위치에 공급되는 원시 레이저 빔 강도의 강도 성분을 증가 또는 감소시키도록 설정될 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 위상 부여는, 부분 투명 재료에서의 선형 흡수로 인한 준 비-회절 레이저 빔의 강도 감소가 적어도 부분적으로 보정되도록 설정될 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 광축을 따라 준 비-회절 레이저 빔의 결과적인 강도 분포는 최대 10 % 범위의 준 비-회절 레이저 빔의 평균 강도로부터의 편차를 포함하는 강도 분포 또는 엔벨로프 강도 분포를 포함하고, 여기서 평균 강도는 공작물의 재료와 비선형 상호 작용이 일어나는 초점 영역의 부분과 관련된다. 선택적으로 강도 분포 또는 엔벨로프 강도 분포는 특히 실질적으로 일정할 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 초점 영역의 복수의 위치에서의 비선형 흡수에 기초하여 강도 손실이 발생함에도 불구하고 부분 투명 재료는 수정될 수 있다. 부분 투명 재료의 수정은 준 비-회절 레이저 빔의 길이에 걸쳐 연장될 수 있거나, 또는 준 비-회절 레이저 빔을 따라 수정 영역의 어레이로 구성될 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 가우시안 횡방향 강도 프로파일을 갖는 레이저 빔이 원시 레이저 빔으로 사용되고, 광학 빔 성형 시스템은 준 비-회절 레이저 빔으로서 베셀-가우시안 빔을 형성하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 초점 영역에서 준 비-회절 레이저 빔의 횡방향 범위가 광축을 따라 변하고, 및/또는 초점 영역의 위치에서 준 비-회절 레이저 빔의 횡방향 범위는, 초점 영역의 위치에서 준 비-회절 레이저 빔을 형성하기 위해 레이저 방사선이 광축에 입사되는 입사각에 따라 달라질 수 있다.

일부 실시예에서, 본 방법은:

공작물의 부분 투명 재료가 수정되도록 원시 레이저 빔의 빔 파라미터를 설정하는 단계,

준 비-회절 레이저 빔의 적어도 일부를 공작물에 위치시키는 단계, 또는

준 비-회절 레이저 빔이 공작물의 스캐닝 궤적을 따라 이동되어, 스캐닝 궤적을 따라 공작물에 수정의 어레이가 기록되도록 공작물과 준 비-회절 레이저 빔 사이의 상대적 이동을 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 방법의 일부 실시예에서, 광학 빔 성형 시스템은 회절 광학 빔 성형 요소를 포함하고, 회절 광학 빔 성형 요소는, 평평한 격자 구조를 형성하고 각각에 위상 편이 값이 할당되는 인접한 표면 요소를 포함할 수 있고, 여기서 위상 편이 값은 설정된 위상 부여에 대응하는 2차원 위상 분포를 정의한다. 원시 레이저 빔을 광학 빔 성형 시스템에 조사하는 단계에서, 원시 레이저 빔에 위상 분포가 부여됨으로써, 위상 부여는 회절 광학 빔 성형 요소를 이용하여 수행될 수 있다.

일반적으로, 광학 빔 성형 시스템은, 빔 성형 요소를 형성하기 위해 본 명세서에 개시될 수 있는 방법에 따라 형성된 빔 성형 요소를 포함할 수 있다.

빔 성형 요소를 형성하기 위한 방법의 일부 실시예에서, 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역에 존재하는 강도 성분과 함께, 반복적으로 조정된 위상 기울기는 목표 강도 분포를 형성하기 위해 광축을 따라 준 비-회절 레이저 빔에 기여하는 레이저 방사선의 재분배를 발생시킬 수 있다.

빔 성형 요소를 형성하기 위한 방법의 일부 실시예에서, 위상 기울기는 레이저 방사선이 광축에 대해 안내되는 각도에 대응된다. 선형 흡수를 보정하는 2차원 위상 분포는, 레이저 방사선이 광축을 따라 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에 복수의 각도로 안내되도록 반복적으로 결정될 수 있다.

빔 성형 요소를 형성하기 위한 방법의 일부 실시예에서, 빔 성형 요소는 선형 흡수를 보정하는 2차원 위상 분포에 따라 설정된 위상 편이 값이 제공된 인접한 표면 요소를 포함할 수 있다. 특히 빔 성형 요소는 위상 편이 값이 고정 설정된 프레넬 액시콘과 같은 회절 광학 요소로서, 또는 위상 편이 값이 선형 흡수를 보정하는 위상 분포에 따라 설정된 공간 광 변조기로서 구현될 수 있다.

일부 실시예에서, 빔 성형 요소를 형성하기 위한 방법은:

선형 흡수를 보정하는 2차원 위상 분포로부터 높이 프로파일, 특히 광학 재료의 두께 프로파일 또는 미러 프로파일을 도출하는 단계 ― 여기서 국부적 높이는 국부적 위상 편이 값에 대응됨 ― , 및

빔 성형 요소로서 높이 프로파일을 갖는 굴절 또는 반사 액시콘 광학장치를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

레이저 가공 시스템의 일부 실시예에서, 원시 레이저 빔의 빔 단면에 대한 위상 부여는, 원시 레이저 빔의 레이저 방사선이 공작물의 광축을 따라 배치된 복수의 위치로 광축에 대해 진입각 범위에서 안내되고 복수의 위치에서 준 비-회절 레이저 빔을 형성하도록 빔 성형 요소를 사용하여 설정될 수 있다. 부분 투명 재료에서 복수의 위치로 레이저 방사선이 전파될 때 선형 흡수로 인해 강도 손실이 발생할 수 있고, 여기서 위상 부여는, 레이저 방사선이 진입각 범위로부터 복수의 각도로 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 안내되어, 부분 투명 재료에서 복수의 위치에서 강도 손실이 발생함에도 불구하고 각각 존재하는 레이저 방사선 강도에 의존하는 비선형 흡수에 대한 강도 임계값을 초과하도록 추가로 설정될 수 있다.

일부 실시예에서, 레이저 가공 시스템은, 위상 부여가 결정된 선형 흡수에 대한 선형 흡수의 변동을 보상하기 위해 빔 성형 요소에서의 빔 직경이 미리 정해진 빔 직경보다 크거나 또는 작도록 빔 조정 광학장치를 설정하도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다.

레이저 가공 시스템의 일부 실시예에서, 빔 성형 요소는 회절 광학 요소, 공간 광 변조기, 또는 수정된 굴절 또는 반사 액시콘으로 형성될 수 있다.

레이저 가공 시스템의 일부 실시예에서, 위상 부여는, 결과적인 강도 분포가 최대 10 % 범위의 준 비-회절 레이저 빔의 평균 강도로부터의 편차를 포함하는 강도 분포 또는 엔벨로프 강도 분포를 갖도록 형성될 수 있고, 여기서 평균 강도는 공작물의 재료와 비선형 상호 작용이 일어나는 초점 영역의 부분과 관련된다. 강도 분포 또는 엔벨로프 강도 분포는 특히 실질적으로 일정할 수 있다.

본 명세서에 개시된 개념은 광학 빔 성형 시스템에 의해 형성된 준 비-회절 레이저 빔이 공기 중에 세장형 초점 영역을 형성할 때, 초점 영역에서 종방향으로(일반적으로 빔 전파 방향으로) 변화하는(즉, 가변적으로 형성되는/설정되는) 강도 분포를 가질 수 있으므로, 이러한 준 비-회절 레이저 빔이 가공될 공작물에 조사될 때 공작물 내의 결과적인 강도 분포가 바람직하게는 대략 일정한 접근법에 관한 것이다. 특히, 공기 중의 가변 강도 분포의 프로파일은 공작물의 재료의 선형 흡수 거동과 일치한다. 결과적인 강도 분포라 함은, 부분 투명 재료에 존재하는 강도 분포로 이해되어야 하는 반면, 위에서 언급된 가변 강도 분포는 (예를 들어, 공기 중에서) 공작물의 선형 흡수 재료와의 상호 작용 없이 존재한다. 재료 가공의 경우, 재료의 대략 일정한 강도 분포는 예를 들어 최대 10 % 범위의 레이저 빔의 평균 강도로부터의 편차를 포함하며, 여기서 평균 강도는 공작물의 재료와 (비선형) 상호 작용이 발생하는 초점 영역의 부분과 관련된다.

본 발명에 따라 수행되는 위상 부여는 굴절, 회절 및/또는 반사 빔 성형 시스템에 의해 수행될 수 있다는 것이 당업자에게 인식될 것이다. 위상 부여 외에도, 빔 성형 시스템을 통해 원시 레이저 빔에 진폭 부여가 수행되는 것이 추가로 제공될 수 있다.

특히, 본 명세서에 개시된 개념은 특히 빔 성분이 레이저 빔의 빔 축에 대해 진입각으로 진입하여 빔 성분의 간섭에 의해 세장형 초점 영역을 형성하도록 하는 빔 성형에 관한 것이다. 재료 가공의 경우, 빔 성분의 진입은 부분적으로 공작물의 재료를 통해 발생한다. 특히, 세장형 초점 영역의 하류 섹션은 따라서 초점 영역의 길이 정도의 길이를 갖는 광 경로를 따라 재료를 통해 전파되는 레이저 방사선에 기초한다.

또한, 본 명세서에 설명된 빔 성형은 부분 투명 공작물에서 빔 축을 따라 세장형 초점 영역을 형성하기 위한 준 비-회절 빔을 생성하는 빔 성형에 관한 것이다. 특히 최대 수 밀리미터의 상당한 길이에 걸쳐 전파 방향으로 연장되는 이러한 초점 영역의 경우, 선형 흡수는 초점 영역을 따라 강도 분포에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 맥락에서 고려되는 세장형 초점 영역을 따른 (종방향) 강도 분포는 전파 방향의 강도의 최대값의 프로파일을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 준 비-회절 빔의 프로파일은 세장형 초점 영역을 따라 복수의 국부적 강도 최대값을 가질 수 있으므로, 이러한 실시예에서 국부적 강도 최대값을 엔벨로핑하는 함수는 (종방향) 강도 분포(엔벨로프 강도 분포)에 사용될 수 있다. 또한, 전파 방향의 각각의 위치에서, 특히 각각의 국부적 강도 최대값에서 준 비-회절 빔의 횡방향 강도 분포가 고려될 수 있다.

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(준 비-회절 빔에 횡단하는 측방향 범위(강도 최대값의 직경)에 대한 전파 방향의 준 비-회절 빔의 범위)를 특징으로 하는 경우, 세장형 초점 영역이라고 할 수 있다. 변조된 강도 분포의 경우, 종횡비는 언급된 강도 분포의 엔벨로핑 함수와 관련될 수 있다.

준 비-회절 빔은 세장형 초점 영역의 강도가 적절히 충분한 경우, 유사한 종횡비를 갖는 재료 내의 수정 또는 적절한 종횡비를 갖는 엔벨로프에 의해 경계 지어진 복수의 수정 영역의 배열을 발생시킬 수 있다. 이러한 수정/복수의 수정 영역의 배열은 바람직하게는 준 비-회절 레이저 빔(5)의 길이에 걸쳐 연장될 수 있다.

일반적으로, 본 명세서에 개시된 재료 내의 이러한 종횡비를 갖는 준 비-회절 빔의 경우, 초점 영역에 대한 강도 분포의 횡방향 범위의 최대 변화는 평균 횡방향 범위와 비교하여 50 % 이하, 예를 들어 20 % 이하의 범위, 예를 들어 10 % 이하의 범위일 수 있으며, 여기서 평균 횡방향 범위는 공작물의 재료와 (비선형) 상호작용이 일어나는 초점 영역의 부분과 관련된다. 수정의 횡방향/측방향 범위의 최대 변화에 대해서도 상응하게 동일하게 적용된다.

본 명세서에 설명된 개념은 부분 투명 재료에서도 높은 종횡비를 갖는 세장형 초점 영역 및 그에 상응하는 세장형 수정부를 생성하도록 제공된다.

본 명세서에 개시된 양태들은 특히 선형 흡수가 약 0.1/mm 내지 약 2.5/mm 범위의 흡수 계수에 의해 제공되는 부분 투명 공작물의 레이저 기반 재료 가공에 관한 것이다.

본 명세서에는 종래 기술의 양태들을 적어도 부분적으로 개선할 수 있는 개념이 개시되어 있다. 특히, 추가 특징 및 그 유용성은 도면을 참조하여 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 가우시안 빔과 비교한 준 비-회절 빔을 예시하는 도면이다.
도 2는 재료 가공을 위한 레이저 가공 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3f는 부분 투명 공작물에서 준 비-회절 빔의 형성을 예시하는 개략도를 도시한다.
도 4는 준 비-회절 빔에 대한 선형 흡수의 효과를 예시하는 개략도를 도시한다.
도 5는 부분 투명 재료로 구성된 공작물의 재료 가공을 위한 방법을 예시하는 순서도이다,
도 6a 내지 도 6c는 액시콘 및 수정된 액시콘의 방사상 높이 프로파일 및 방사상 위상 프로파일을 보여주는 예시적인 도면이다,
도 7은 위상 부여를 설정함으로써 공작물에 선형 흡수가 있는 경우 전파 방향에서 준 비-회절 빔의 종 방향 강도 분포의 조정을 예시하는 개략도이다,
도 8은 부분 투명 공작물에서의 본 발명에 따라 형성된 준 비-회절 빔의 개략도를 도시한다.
도 9는 빔 성형 요소, 특히 회절 광학 빔 성형 요소를 형성하는 방법을 예시하는 흐름도이다.

본 명세서에 설명된 양태들은 특히 재료 가공에서 비-회절 빔의 사용과 관련이 있다. 비-회절 빔(non-diffractive beams) ― 대안적으로 "전파 불변 빔"으로도 알려져 있음 ― 은, 아래의 헬름홀츠 방정식을 충족시키고,

(방정식 1)

다음과 같은 형태의 횡방향(즉, x 및 y 방향) 종속성 및 종방향 종속성(즉, z 방향/전파 방향 종속성)으로 명확한 분리성을 갖는 파동장에 의해 형성될 수 있다.

(방정식 2)

여기서 종방향/축방향 및 횡방향 성분()을 갖는 파동 벡터는 횡방향 좌표(x 및 y)에만 의존하는 임의의 복소수 함수이다. 방정식 2의 z 종속성은 순수한 위상 변조를 가지므로, 방정식 2를 푸는 함수의 강도()는 전파 불변이며, "비-회절"이라고 한다:

(방정식 3)

이 접근법은 예를 들어 타원-원통 좌표계의 소위 마티유 빔 또는 원형-원통 좌표계의 소위 베셀 빔과 같이, 다양한 좌표계에서 다양한 종류의 헬름홀츠 방정식의 해를 제공한다.

J. Turunen 및 A. T. Friberg, "전파 불변 광학 필드(Propagation-invariant optical fields)", Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) 및 M. Woerdemann, "구조화된 광 필드: 광학 트래핑, 조작, 및 조직에서의 적용(Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation)", Springer Science & Business Media (2012)를 또한 참조하도록 한다.

복수의 유형의 비-회절 빔을 양호한 근사치로 구현할 수 있다. 이러한 구현된 비-회절 빔을 본 명세서에서는 "준 비-회절 빔" 또는 "공간적으로 제한된 비-회절" 빔이라고 부르거나, 또는 간결하게 하기 위해 "비-회절 빔"이라고도 부른다. 준 비-회절 빔, 즉, 광학적 수단에 의해 형성/광학적으로 구현된 비-회절 레이저 빔은, 이론적 구조와 달리, 유한한 출력을 전달한다. 마찬가지로 이에 할당된 전파 불변성의 길이(L)도 유한하다.

도 1은 종래의 가우시안 초점의 강도 표현(도 1의 표현 (a)에서 가우시안 초점의 전파 거동 참조)과 비교하여, 표현 (b) 및 (c)에서 강도 표현에 기초하여 준 비-회절 빔의 전파 거동을 보여준다. 표현 (a), (b) 및 (c)는 각각 가우시안 빔 또는 z 방향으로 전파되는 준 비-회절 빔의 초점을 통과하는 종단면(x-z 평면) 및 횡단면도(x-y 평면)를 보여주며, 여기서 화살표(2)는 z 방향의 전파 방향을 추가로 명확히 예시한다(예를 들어, 도 4 및 도 7에서도 마찬가지임). 표현 (b)는 준 비-회절 빔의 횡방향 원거리장 분포(F)를 추가로 보여준다. 원거리장 분포의 위치는 도 2를 참조하도록 한다. 액시콘으로 준 비-회절 빔을 생성할 때, 원거리장에는 하나의 공간 주파수만이 생성되는데, 이는 액시콘의 (고정된) 원뿔각으로 인한 것이다.

표현 (b)는 회전 대칭 준 비-회절 빔(여기서는 베셀-가우시안 빔)의 예를 나타낸다. 표현 (c)는 비대칭 준 비-회절 빔의 예를 나타낸다. 베셀-가우시안 빔의 경우, 도 1의 표현 (d) 및 (e)는 중심 강도 최대값에 대한 세부 정보를 추가로 보여준다. 따라서, 도 1의 표현 (d)는 횡방향 단면(x-y 평면)의 강도 프로파일 및 x 방향의 횡방향 강도 프로파일을 보여준다. 도 1의 표현 (e)는 전파 방향(z 방향)의 단면에서의 중앙 강도 최대값에 대한 세부 정보를 보여준다.

준 비-회절 빔과 가우시안 빔을 비교하기 위해, 가우시안 초점의 초점 직경()이 정의되며, 여기서 가우시안 초점은 제2 모멘트를 통해 결정된다. 또한, 가우시안 빔의 관련 특성 길이는 빔 단면이 2배 증가한 초점 위치에서 시작하는 거리로 결정되는 레일레리 길이()를 통해 정의된다. 또한, 준 비-회절 빔의 경우, 횡방향 초점 직경()은 국부적 강도 최대값의 횡방향 치수로 정의되며, 여기서 횡방향 초점 직경()은 바로 인접한 반대쪽의 강도 최소값의 최단 거리(예를 들어, 25 %로 강도 감소)에 의해 주어진다. 예를 들어 도 1의 표현 (b) 및 (d)를 참조하도록 한다. 거의 전파 불변인 강도 최대값의 종방향(축방향, 전파 방향) 범위는 준 비-회절 빔의 특성 길이(L)로 간주될 수 있다. 이는 각각 양수 및 음수 z 방향에서 국부적 강도 최대값에서 시작하여 50 %로의 강도 감소에 의해 정의된다(도 1의 표현 (c) 및 (e) 참조).

여기서, 준 비-회절 빔은, 유사한 횡방향 치수인 경우, 예를 들어 인 경우, 준 비-회절 빔의 특성 길이(L)가 관련 가우시안 초점의 레일레리 길이를 분명히 초과하는 경우, 특히 인 경우에 가정된다.

베셀형 빔이라고도 하는 (준) 베셀 빔은 (준) 비-회절/전파 불변 빔 클래스의 일 예이다. 이러한 빔의 경우, 광축 부근의 횡방향 필드 분포()는 제1 종류의 차수 n의 베셀 함수를 양호한 근사치로 따른다. 이러한 종류의 빔의 하위 집합은 소위 베셀-가우시안 빔으로서, 생성이 간단하기 때문에 널리 사용된다. 베셀-가우시안 빔은 예를 들어, 굴절, 회절 또는 반사 모드에서 액시콘을 시준된 가우시안 빔으로 조명함으로써 형성될 수 있다. 관련된 세장형 초점 영역 구역의 광축 부근에서 관련된 횡방향 필드 분포는 이 경우 가우시안 분포에 의해 엔벨로핑된 제1 종류의 차수 0의 베셀 함수를 양호한 근사치로 따른다(도 1의 표현 (d) 참조).

투명 재료를 가공하는 데 사용할 수 있는 일반적인 베셀-가우시안 빔은 광축에서 최대 중심 강도의 직경이 범위이다. 준 비-회절 빔의 관련 길이(L)는 쉽게 1 mm를 초과할 수 있다(도 1의 표현 (b) 참조). 반면에, 를 갖는 가우시안 빔의 초점은 1 ㎛의 파장(λ)에서 불과 인 공기 중 초점 거리를 특징으로 한다(도 1의 표현 (a) 참조). 따라서, 재료 가공과 관련된 이러한 경우에는, 관련 길이(L): , 예를 들어, 레일레리 길이의 100 배 이상 또는 심지어 1000 배 이상에 대해서도 적용된다.

도 1의 표현 (f)는 추가적인 준 비-회절 빔의 예로서 역 베셀-가우시안 빔을 보여준다. 가상 베셀-가우시안 빔을 이미징하면(서두에 언급된 공보 참조) 역 베셀-가우시안 빔의 종방향 강도 분포가 베셀-가우시안 빔과 비교하여 전파 방향에 대해 어떻게 반전되는지 확인할 수 있다.

여기에 설명된 양태는, 부분 투명 재료로 이루어진 공작물이 준 비-회절 빔으로 가공되는 경우, 선형 흡수가 준 비-회절 빔을 따라, 즉 세장형 초점 영역에 존재하는 강도에 영향을 미친다는 지식에 부분적으로 기초한다. 이는 준 비-회절 빔이 예를 들어 베셀-가우시안 빔의 간섭 기반 초점 영역에서 형성되는 경우에 특히 그러하다. 따라서, 본질적으로 투명한 공작물을 가공하는 데 사용되는 바와 같은 빔 성형은, 이러한 방식으로 생성된 준 비-회절 빔을 따라 가공하는 것이 (전파 방향의 강도 감소로 인해) 서로 다른 상호 작용 조건으로 수행되거나 또는 더 이상 필요한 범위까지 공간적으로 수행되지 않으므로, 더 이상 적합하지 않다.

부분 투명 공작물에서 예를 들어 베셀 빔과 같은 빔 프로파일을 갖는 준 비-회절 빔의 형성 및 특성을 얻기 위해, "초점 영역을 따른 강도의 증가된 도입"에 의해 공작물의 통과 중에 발생하는 흡수 효과를 상쇄하는 것이 본 명세서에서 제안된다. 따라서, 예를 들어 선형 흡수가 없는 기준 공작물의 경우에 또는 예를 들어 공기 중에서 형성될 때와 같이 ― 선형 흡수를 무시할 때 ― 전파 방향을 따라 증가하는 강도 분포를 갖는 준 비-회절 빔이 형성된다. 그러면 (공작물에 선형 흡수가 없는) 강도 분포의 증가가 선형 흡수로 인한 강도의 감소를 적어도 부분적으로 보정할 수 있다.

한편으로는 (예를 들어, 액시콘의 기하학적 구조를 특수하게 형성하거나 또는 회절 광학 요소의 특수하게 설계된 위상 분포로 인해 발생되는) 위상 부여의 특수한 조정에 의해 (공작물에서 선형 흡수가 없이) 증가하는 강도 분포가 이루어질 수 있다.

다른 한편으로는, 빔 파라미터가 수정된 알려진 위상 부여가 사용될 수 있다. 예를 들어, 위상 부여/빔 성형 광학장치는, 초점 영역을 따라 레이저 출력을 균일하게 분배하고, 특히 준 비-회절 빔의 하류 섹션에서 강도를 재분배함으로서, 주어진 빔 직경에 대해 공작물에 선형 흡수 없이 전파 방향으로 균질화된 강도 분포를 제공하도록 설계될 수 있다. 균질화된 베셀-가우시안 빔을 예로 들 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 이러한 위상 부여/빔 성형 광학 장치는 이제 변하는, 예를 들어 증가된 빔 직경과 함께 사용될 수 있으며, 여기서 빔 직경은 선형 흡수를 상쇄하기 위해 더 많은 강도가 준 비-회절 빔의 하류 섹션으로 재분배되도록 선택된다.

따라서, 공작물에서 전파되는 동안 선형 흡수에 의한 준 비-회절 빔의 전파 방향을 따른 강도 분포에 대한 영향은 적어도 부분적으로 상쇄될 수 있다는 것이 인식되었다. 또한, 적절한 조치를 취하면 본질적으로 투명한 공작물을 위해 개발된 빔 성형 개념 및 빔 성형 구성 요소를 사용하여 흡수성 재료에 준 비-회절 빔을 형성할 수 있다는 것이 인식되었다.

따라서, 부분 투명 공작물에서 레이저 방사선이 전파되는 동안 선형 흡수에도 불구하고 전파 방향에서 본질적으로 일정한 강도 분포를 갖는 준 비-회절 빔이 공작물의 재료에 생성될 수 있다는 것이 인식되었다. 따라서, 세장형 수정이 부분 투명도를 갖는 공작물에 또한 기록될 수 있다. 이러한 방식으로 생성된 구조적 수정은 본질적으로 투명한 공작물과 마찬가지로 예를 들어 절단 공정을 가능하게 하거나 또는 재료 제거에 사용될 수 있다.

도 2는 준 비-회절 (레이저) 빔(5)으로 공작물(3)을 가공하기 위한 레이저 가공 시스템(1)의 개략도를 나타낸다. 본 명세서에 개시된 개념은 특히, 레이저 빔(5)에 대해 부분적으로 투명하고 따라서 레이저 빔(5)의 선형 흡수를 발생시키는 재료로 만들어진 공작물의 가공에 관한 것이다. 공작물(3)은 예를 들어, 유리창과 같이 부분 투명(예를 들어, 유색) 유리, 또는 (예를 들어, 사파이어, 예를 들어 천연 또는 인위적으로 착색된 사파이어와 같은 산화 알루미늄 또는 산화 지르코늄으로 만들어진) 세라믹 또는 결정 설계의 유리판과 같은, 사용되는 레이저 파장에 대해 부분 투명한 물체일 수 있다. 예를 들어, 이 재료는 레이저 빔(5)의 스펙트럼 범위에서 1 mm 길이에 걸쳐 통과하는 레이저 방사선의 강도의 50 %를 흡수한다. 일반적으로, 공작물의 재료는 약 0.1/mm 내지 약 2.5/mm 범위의 흡수 계수를 가질 수 있으며, 해당 투과율은 재료 두께 밀리미터당 90 % 내지 10 % 범위, 예를 들어 유리 두께 1 mm당 50 %일 수도 있다.

준 비-회절 레이저 빔으로 가공하면 준 비-회절 레이저 빔(5)에 의해 형성된 초점 영역(7)에서 공작물(3)의 재료가 수정된다. 도 2에 표시된 바와 같이, 초점 영역(7)은 일반적으로 준 비-회절 레이저 빔(5)의 전파 방향(Propagationsrichtung)(여기서는 z 방향)으로 세장형으로 형성된다. 예를 들어, 초점 영역(7)은 베셀-가우시안 빔 또는 역 베셀-가우시안 빔의 초점 영역으로 형성될 수 있다.

레이저 가공 시스템(1)은, 레이저 빔(5")을 생성하여 출력하는 레이저 빔 소스(11)(예를 들어, 초단 펄스 고출력 레이저 시스템)를 포함한다. 레이저 빔(5")은 예를 들어 펄스 레이저 방사선이다. 펄스 레이저 방사선의 레이저 펄스는 예를 들어 재료 가공을 위한 펄스 에너지를 가지며, 이 펄스 에너지는 준 비-회절 빔의 펄스 피크 강도를 발생시키고, 이 펄스 피크 강도는 공작물(3)의 재료에 비선형 흡수를 유발하고 따라서 준 비-회절 빔의 강도 프로파일에 의해 미리 정해진 기하학적 구조에 수정을 형성한다.

안내 및 빔 성형을 위해, 레이저 가공 시스템(1)은 광학 빔 성형 시스템(13)을 더 포함한다. 광학 빔 성형 시스템(13)은 적어도 부분적으로 레이저 가공 시스템(1)의 가공 헤드에 제공될 수 있으며, 이는 공작물(3)에 대해 공간적으로 정렬될 수 있다.

광학 빔 성형 시스템(13)은 원시 레이저 빔(5')에 위상 부여를 위한 빔 성형 광학장치(15)를 포함한다. 도 2에서, 빔 성형 광학장치(15)로부터 나오는 레이저 방사선은 준 비-회절 빔(5)을 성형하는 데 사용되는 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)을 나타낸다. 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)의 예시적인 빔 성분(5A, 5B 및 5C)이 표시되어 있다. 빔 성형 광학장치로서 회절 광학 빔 성형 요소 및 굴절 또는 반사 광학장치 구현이 사용될 수 있으며, 따라서 이들은 본 명세서에서 수행될 횡방향 위상 부여과 관련하여 본질적으로 동등한 광학 수단으로 설계될 수 있다.

빔 성형 광학장치(15)는 예를 들어, 액시콘, 중공 원추형 액시콘, (중공 원추형) 액시콘 렌즈/미러 시스템, 반사 액시콘 렌즈/미러 시스템이고, 여기서 이들 구성 요소는 공작물의 존재하는 선형 흡수에 대해 위상 부여 특성이 수정되어, 선형 흡수 없이 기준 재료에서 증가하는 강도 분포의 형성을 생성한다(도 6b 참조). 액시콘 또는 역 액시콘의 수정된 기하학적 구조는 빔 축으로부터의 방사상 거리에 대한 종래의 원뿔형 액시콘의 두께의 선형 의존성에서 벗어난다.

빔 성형 광학 장치(15)는 프로그래밍 가능하거나 또는 고정 기록된 회절 광학 빔 성형 요소, 특히 공간 광 변조기(SLM 공간 광 변조기)일 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 빔 성형 요소는, 각각의 표면 요소에 위상 편이 값이 할당된 평평한 격자 구조를 형성하는 인접한 표면 요소를 포함한다(도 8, 표현 (d1) 및 (d2) 참조). 특별히 선택된 위상 편이 값의 도움으로, 예를 들어 (중공 원추형) 액시콘의 기하학적 구조를 시뮬레이션할 수 있으며, 여기서 위상 부여는 마찬가지로 종래의 액시콘의 구현에 대해 수정될 수 있다. 광학 빔 성형 시스템(13) 및 특히 빔 성형 광학장치(15)의 예시적인 구성에 대해서는, 서두에서 언급된 공보를 참조하도록 한다. 여기에는 투명 재료에서 준 비-회절 빔에 대한 예로서 베셀-가우시안 빔의 세장형 초점 영역에서 축 방향으로 준 균질화된 강도 분포가 생성될 수 있음을 추가로 개시되어 있다. 이 경우, 세장형 초점 영역을 따라 연속적으로 강도가 균일하거나, 또는 예를 들어 초점 영역을 따라 유사한 강도 값을 갖는 일련의 강도 최대값이 존재할 수 있다.

빔 성형 광학장치(15)는 레이저 빔(5")에서 발생하는 원시 레이저 빔(5')의 빔 성분이 빔 성분의 간섭에 의해 공작물(3)의 빔 축(9)을 따라 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하기 위해 빔 축(9)에 진입각(δ')으로 진입되도록 구성될 수 있다. 부분 투명 재료로 만들어진 공작물의 경우, 진입각(δ')은 부분 투명 재료의 빔 축(9)에 대해 예를 들어 약 5° 내지 약 25°의 진입각 범위(공기 중에서는 최대 약 40°에 해당함)로 존재한다. 세장형 재료 가공의 경우, 부분 투명 재료에서 비선형 흡수를 유발하는 유사한 강도가 준 비-회절 레이저 빔(5)의 적어도 복수의 섹션에 존재하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 예를 들어, 초점 영역/준 비-회절 빔을 따라 강도를 조정하기 위해 전파 방향에서 강도 성분의 재배열을 일으키는 특별히 조정된 진입각(δ')이 제공될 수 있다(도 6b 참조).

선택적으로, 광학 빔 성형 시스템(13)은 예를 들어, 제1 망원경의 형태(도 2에 렌즈(L1_A 및 L2_A)에 의해 개략적으로 도시됨)의 빔 조정 광학장치(17A)를 포함한다. 빔 조정 광학장치(17A)는 레이저 빔(5")의 빔 직경을 조정하여 레이저 빔(5")을 원시 레이저 빔 직경(D)을 갖는 원시 레이저 빔(5')으로서 빔 성형 광학장치(15)에 공급하도록 구성된다.

도 2에서, 빔 직경(D)을 갖는 가우시안 형상의 강도 분포(G)가 원시 레이저 빔(5')에 대한 강도 다이어그램 I(y)에 개략적으로 표시되어 있다. 렌즈(L1_A 및 L2_A)의 거리를 변화시킴으로써, 빔 조정 광학장치(17A)는 빔 성형 광학장치(15)에서 빔 크기를 조정하는 데 사용될 수 있다.

도 2에는 액시콘과 같은 위상 부여를 사용한 빔 성형이 (예를 들어, 강도 다이어그램 I(y)의 강도 링에 대응되는) 원시 레이저 빔(5')의 다양한 빔 단면 영역 범위에 대한 빔 경로와 함께 예시적으로 도시되어 있다. 개략적으로, 도 2에는 액시콘 단면(15A)이 예시적으로 도시되어 있다. 액시콘과 같은 위상 부여에서, 레이저 방사선은 광축(9)을 따른 위치들에서 회전 대칭으로 안내되며, 여기서 각각의 진입각은 강도 다이어그램 I(y)의 강도 링에 작용하는 국부적 원뿔각을 나타낸다.

준 비-회절 빔(5)의 형성은 도 3a(고정된 진입각의 경우) 및 도 3b(진입각 범위 내에서 가변적으로 설정된 진입각의 경우)에 확대되어 도시되어 있다.

도 3a에 도시된 빔 축(9)을 따른 z-y 단면 평면에서 ― 예를 들어 선형 흡수가 없는 경우, 즉 투명 공작물(3_o)을 가공하는 데 사용될 수 있는 바와 같은 ― 베셀-가우시안 빔의 예시적인 빔 경로가 준 비-회절 빔의 형성을 위한 도식화된 빔 성분에 의해 설명되어 있다. 다시 (방사상) 빔 성분(5A, 5B, 5C)이 도시되어 있으며, 이들 빔 성분은 (액시콘의 원뿔각에 의해 주어지는) 공기 중 진입각(δ) 또는 재료 내 진입각(δ')으로 레이저 빔(5)의 빔 축(9)에 진입한다.

이 경우, 빔 중심 주위의 원시 레이저 빔(5')의 (방사상 내측에 존재하는) 빔 단면 영역(R_A)에 할당된 빔 성분(5A)의 레이저 방사선은 준 비-회절 레이저 빔의 초기 섹션(6A)을 형성한다. 원시 레이저 빔(5')의 중앙 환형 형상의 빔 단면 영역(R_B)에 할당된 빔 성분(5B)의 레이저 방사선은 준 비-회절 레이저 빔의 중앙 섹션(6B)을 형성한다. 원시 레이저 빔(5')의 외부 환형 형상의 빔 단면 영역(R_C)에 할당된 빔 성분(5C)의 레이저 방사선은 준 비-회절 레이저 빔의 단부 섹션(6C)을 형성한다.

준 비-회절 빔은 빔 성분(5A, 5B, 5C)의 간섭에 의해 투명 공작물(3_o)의 빔 축(9)을 따라 형성된다(길이(L)에 걸쳐, 도 1 참조). 더 외측에 있는 빔 성분(5B, 5C)은 재료에서 더 긴 거리를 커버하므로, 따라서 ― 부분 투명 재료의 경우 ― 더 내측에 있는 빔 성분(5A)보다 더 강한 선형 흡수의 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 빔 성형을 위해 종래의 액시콘(원뿔각이 고정 설정됨)을 사용하는 경우, 준 비-회절 빔의 섹션(6A, 6B, 6C)에서 초점 영역에 존재하는 강도는 선형 흡수의 영향을 다른 정도로 받는다.

도 2로 돌아가서, 빔 성분(5A, 5B, 5C)의 레이저 방사선의 광 경로가 빔 성형 요소(15)에서부터 초점 영역(7)까지 개략적으로 도시된다. 선형 흡수에 중요한 것은 공작물(3)의 부분 투명 재료에서 광 경로의 성분이다. 이러한 광 경로의 성분은 도 3a에서 빔 성분(5A, 5B, 5C)의 레이저 방사선에 대해 참조 기호 5A', 5B' 및 5C'로 표시되어 있다.

도 2에서 더 알 수 있는 바와 같이, 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C) 각각에는 원시 레이저 빔(5')의 강도의 강도 성분(I_A, I_B, I_C)이 할당되어 있다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 도 2 및 도 3a에는 빔 단면 영역, 강도 성분, 준 비-회절 레이저 빔의 섹션의 할당이 단순화된 방식으로 도시되어 있다.

이제 부분 투명 재료로 만들어진 공작물의 재료 가공을 위해 위상 부여를 설정함으로써 진입각(δ')의 변동이 설정될 수 있다. 이는 부분 투명 공작물(3)에 대해 도 3b에 개략적으로 나와 있다.

예를 들어, 위상 부여는, 준 비-회절 레이저 빔을 따라 빔 축(9)에 대한 레이저 방사선의 진입각이 변화하거나 또는 위치/섹션에서 준 비-회절 레이저 빔이 복수의 진입각으로부터의 레이저 방사에 의해 형성되는 방식으로 설정된다. 예를 들어, 도 3b에서 레이저 방사선(5B_T)은 레이저 방사선(5A_T)보다 더 평평하게 입사되고; 레이저 방사선(5C_T)은 레이저 방사선(5B_T)보다 더 가파르게 입사되고; 레이저 방사선(5D_T)은 레이저 방사선(5C_T)보다 훨씬 더 가파르게 입사된다. 상이한 빔 성분들에 대한 진입각을 적절히 선택하면, 광축(9)을 따라 상이한 섹션(6A_T, 6B_T, 6C_T)으로 안내되어 여기에서 보강 간섭하고 준 비-회절 레이저 빔을 형성하는 레이저 방사선의 강도는 선형 흡수의 다양한 강한 영향에 맞게 조정될 수 있다.

도 3a 및 도 3b를 빔-광학 비교로 살펴보면, 도 3a에서 (준) 비-회절 레이저 빔의 생성은 (일반적으로 투명 재료에서) 결과적인 고정된 진입각(δ')을 갖는 전역 (전역적으로 변하지 않는) 원뿔각을 갖는 방사선 성분(필드 성분)을 공급함으로써 이루어진다. 도 3b에서, (준) 비-회절 레이저 빔의 생성은 결과적인 변하는 진입각(δ'_1, δ'_2)을 갖는 복수의 특별히 설정된 국부적 원뿔각으로 이루어진다. 도 3b에서는 명확성을 위해 예를 들어 레이저 빔(5C_T) 및 레이저 빔(5D_T)이 광축(9)에 나란히 충돌한다는 것을 알 수 있다. 기여 빔 단면 영역의 위치 및 관련 위상 기울기(진입각)에 따라, 레이저 방사선은 (빔 성형 요소(15)에 할당된 진입각 범위로부터) 복수의 각도로 광축(9) 상의 위치로 안내된다. 복수의 각도로 레이저 방사선의 (보강/상쇄) 중첩에는, 상이한 광 경로를 따라 축적된 상이한 위상으로 인해 초점 영역(7)에 존재하는 각각의 위상차가 포함된다.

도 3c는 부분 투명 재료에서 균질화된 준 비-회절 레이저 빔을 생성할 때 존재할 수 있는 바와 같은 횡방향 원거리장 분포(F_T)를 추가로 보여준다. 원거리장 분포(F_T)의 위치는 도 2를 참조하도록 한다. 원거리장 분포(F_T)는 공간 간섭에 따라 여러 주파수(각도(δ'_1, δ'_2)에 대응됨)를 갖는 공간 주파수 스펙트럼을 보여준다. 투명 재료에서 균질화된 준 비-회절 레이저 빔의 생성과 비교할 때, 부분 투명 재료에서 균질화된 준 비-회절 레이저 빔의 생성에 대한 공간 주파수 강도의 가중치는 선형 흡수 거동에 맞게 조정된다.

도 2를 참조하여, 광학 빔 성형 시스템(13)은, 부분 투명 공작물(3) 내로 실제 또는 가상의 빔 프로파일을 이미징하기 위한, 예를 들어 제2 망원경(도 2에 렌즈(L1_B, L2_B)에 의해 개략적으로 도시됨) 형태로 형성된 이미징 시스템(17B)을 더 포함한다. 이미징 시스템(17B)은, 예를 들어, 이미징 시스템(17B)의 초점 거리를 변경함으로써, 공작물(3) 내의 준 비-회절 빔의 길이를 조정하는 데 추가로 사용될 수 있다. 당업자는 서두에 언급된 공보에서와 같이, 렌즈(L1_B)가 빔 성형 요소(15)와 결합될 수도 있다는 것을 인식할 것이다.

이미징 시스템(17B)에서는 또한 준 비-회절 레이저 빔의 원거리장 분포가 형성된다(예를 들어, 도 1의 표현 도 (b)의 원거리장 분포(F) 또는 도 3c의 원거리장 분포(F_T)). 원거리장의 위치(P_F)는 렌즈(L1_B, L2_B) 사이의 중간 초점에 의해 도 2에 개략적으로 표시되어 있다.

광학 빔 성형 시스템(13)은, 예를 들어, 편향 미러, 필터 그리고 다양한 구성 요소의 정렬 및 조정을 위한 제어 모듈과 같은 추가 빔 안내 구성 요소를 포함할 수 있다.

레이저 가공 시스템(1)은 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 공작물(3)을 지지하고 선택적으로 이동시키기 위한 공작물 홀더(19)를 더 포함한다.

공작물(3)을 가공하기 위해, 광학 빔 성형 시스템(13)(준 비-회절 레이저 빔)과 공작물(3) 사이의 상대적 이동이 수행되어, 준 비-회절 빔(5)/초점 영역(7)이 공작물(3)에서 미리 결정된 (가공) 궤적(T)을 따라 상이한 위치에 형성될 수 있도록 한다. 바람직하게는, 준 비-회절 레이저 빔(5)은 스캐닝 궤적을 따라 이동되어, 스캐닝 궤적(T)을 따라 공작물에 수정의 어레이가 기록될 수 있다. 예를 들어, 공작물(3)을 2 개의 부분으로 분리하는 경우, 궤적(T)은 후속 분리 라인의 프로파일을 결정한다.

레이저 가공 시스템(1)은 특히 사용자에 의한 작동 파라미터의 입력을 위한 인터페이스를 포함하는 제어기(21)를 더 포함한다. 일반적으로, 제어기(21)는 레이저 가공 시스템(1)의 전기, 기계, 및 광학 구성 요소를 제어하기 위한 프로세서와 같은 전자 제어 부품을 포함한다. 예를 들어, 펌프 레이저 출력, 펄스 지속 시간, 펄스 에너지와 같은 레이저 빔 소스(11)의 작동 파라미터, 광학 요소(예를 들어, SLM)의 설정을 위한 파라미터, 및 광학 빔 성형 시스템(13)의 광학 요소의 공간 정렬을 위한 파라미터 및/또는 (궤적(T)을 따른 이동을 위한) 공작물 홀더(19)의 파라미터가 설정될 수 있다. 도 2에서, 제어기(21)와 다양한 제어 가능한 구성 요소의 기능적 연결은 점선 연결부(21A)에 의해 표시되어 있다.

일반적으로, 제어기(21)는, 공작물의 부분 투명 재료에 조사될 때, 즉 위상 부여된 레이저 방사선이 공작물의 부분 투명 재료에 포커싱될 때, 초점 영역에서 종 방향(z)으로 준 비-회절 레이저 빔(5)의 결과적인 강도 분포가 적어도 대략 일정한 방식으로 위상 부여를 설정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제어기(21)는 설정 가능한 회절 광학 요소(SLM)의 위상 분포를 설정하도록 구성될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 제어기(21)는 예를 들어 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C) 중 적어도 하나의 크기 및/또는 강도 성분(I_A, I_B, I_C) 중 적어도 하나를 설정하도록 구성될 수 있다. 특히, 이러한 설정은, 빔의 강도 성분 중 여러 개가 각각의 빔 단면 영역으로부터 준 비-회절 레이저 빔의 관련 섹션(6A_T, 6B_T, 6C_T)까지의 광 경로를 따른 선형 흡수로 인해 발생하는 강도 손실을 고려하도록 이루어질 수 있다. 이와 같이 설정된 빔 파라미터에 의해, 재료는 준 비-회절 레이저 빔의 관련된 섹션(6A_T, 6B_T, 6C_T)에서, 각각의 섹션에서의 준 비-회절 레이저 빔의 강도에 따라 달라지는 비선형 흡수에 기초하여 수정될 수 있다. 예를 들어, 강도 성분(I_A, I_B, I_C)(및/또는 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C))의 크기를 설정하기 위해, 제어기(21)는 빔 성형 광학장치(15)에서 원시 레이저 빔(5')의 빔 직경(D)을 증가 또는 감소시키도록 망원경 조립체(13A)를 제어할 수도 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 제어기(21)는, 예를 들어, 위상 부여가 설계된 부분 투명 재료의 선형 흡수와 편차가 있는 선형 흡수를 갖는 재료에 대해, 위상 부여가 변경되지 않은 상태에서 원시 레이저 빔의 횡방향 강도 분포를 조정하여, 복수의 위치 중 하나의 위치에 공급되는 원시 레이저 빔 강도의 강도 성분을 증가 또는 감소시켜 선형 흡수 편차를 보상하도록 구성될 수 있다.

일반적으로, 재료 가공에 사용되는 레이저 방사선, 즉 레이저 빔(5"), 원시 레이저 빔(5') 및 레이저 빔(5)은 파장, 스펙트럼 폭, 시간 펄스 형태, 펄스 그룹의 형성, 빔 직경, 횡방향 강도 프로파일, 횡방향 입력 위상 프로파일, 입력 다이버전스 및/또는 편광과 같은 빔 파라미터에 의해 결정된다.

본 개시의 맥락에서 사용될 수 있는 레이저 방사선의 예시적인 파라미터는 다음과 같다:

레이저 펄스 에너지/레이저 펄스 그룹(버스트)의 에너지: 예를 들어 mJ 범위 이상, 예를 들어, 20 μJ 내지 5 mJ(예를 들어, 1200 μJ) 범위, 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, 515nm, 343 nm).

펄스 지속 시간(FWHM): 수 피코초(예를 들어, 3 ps) 이하, 예를 들어, 수 백 또는 수 (10) 펨토초

버스트의 레이저 펄스의 수: 예를 들어, 버스트당 2 내지 4 펄스(또는 그 이상), 버스트의 시간 간격은 수 나노초임

수정 당 레이저 펄스의 수: 하나의 수정에 대해 하나의 레이저 펄스 또는 하나의 버스트

반복률: 일반적으로 0.1 kHz 초과, 예를 들어, 10 kHz

재료 내 초점 영역의 길이: 20 ㎛ 초과, 최대 수 밀리미터

재료 내 초점 영역의 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): 적어도 피드 방향으로 수정부의 측방향 범위(일반적으로 해당 범위의 적어도 2배, 예를 들어 해당 범위의 4배).

여기서 펄스 지속 시간은 단일 레이저 펄스와 관련된다. 이에 상응하게, 노출 시간은 공작물의 재료의 한 위치에 단일 수정을 형성하는 레이저 펄스의 그룹/버스트와 관련된다. 펄스 지속 시간과 같이 노출 시간이 주어진 피드 속도에 비해 짧은 경우, 하나의 레이저 펄스 및 레이저 펄스 그룹의 모든 레이저 펄스가 한 위치에서 단일 수정에 기여한다. 더 낮은 피드 속도에서는, 인접한 수정 및 병합된 수정을 포함하는 연속적인 수정 영역이 생성될 수도 있다.

앞서 언급된 파라미터 범위는 예를 들어 20 mm 이상(일반적으로 100 ㎛ 내지 10 mm)까지 부분 투명 공작물로 확장되는 준 비-회절 빔으로 재료 가공을 가능하게 한다.

도 2에 따르면, 레이저 빔(5")은 빔 성형을 위해, 즉 빔 파라미터 중 하나 이상을 변형하기 위해 광학 빔 성형 시스템(13)으로 공급된다. 일반적으로 레이저 빔(5") 및 그에 상응하는 원시 레이저 빔(5')은 대략 횡방향 가우시안 강도 프로파일을 갖는 시준된 가우시안 빔이 될 것이다.

레이저 방사선의 전파 및 특히 광학 빔 성형 시스템(13)에는, 바람직하게는 빔 성형 광학장치(15)의 대칭점을 통해(예를 들어, 액시콘(액시콘 팁) 또는 회절 광학 빔 성형 요소의 빔 중심 위치를 통해) 연장되는 광축(9)이 할당될 수 있다. 레이저 방사선의 전파는 광축(9)을 따라 이루어진다. 회전 대칭 레이저 빔(5")의 경우, 레이저 빔(5")의 횡방향 빔 프로파일의 최대 강도(도 2의 가우시안 형태의 강도 분포(G))가 광학 빔 성형 시스템(13)의 광축(9)을 따라 입사될 수 있다. 강도 분포(G)의 직경(D)에 따라, 빔 성형 광학장치(15)의 상응하는 넓은 영역이 조명된다.

광학 빔 성형 시스템(13)은 원시 레이저 빔(5')으로부터 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하고, 이 준 비-회절 레이저 빔은 초점 영역(7)을 형성한다. 예를 들어, 빔 성형 광학장치(15)의 도움으로 일반적인 또는 역 베셀 빔과 같은 빔 프로파일을 갖는 베셀-가우시안 빔이 생성될 수 있다.

일반적으로 비선형 흡수를 통해 부분 투명 재료를 가공하는 경우, 비선형 흡수가 발생하자마자, 이러한 흡수 자체 또는 그에 따른 재료 특성의 변화가 레이저 방사선의 전파에 영향을 미칠 수 있다. 준 비-회절 빔의 경우, 하류에서 수정을 위해 사용되는 빔 성분은 초점 영역 축에 대해 조정된 진입각으로 상호 작용 영역에 공급될 수 있으므로, 준 비-회절 빔의 상류 영역은 조사되지 않는다. 이러한 에너지 공급의 예로는, 링 폭이 일반적으로 반경에 비해 작은 환형 형상의 원거리장 분포가 있는 베셀-가우시안 빔이 있다(도 1의 표현 (b) 참조). 회전 대칭 베셀-가우시안 빔의 경우, 방사상 빔 성분은 본질적으로 이러한 미리 결정된 각도에서 회전 대칭 방식으로 상호 작용 영역/초점 영역 축에 공급된다. 이는 역 베셀-가우시안 빔뿐만 아니라 균질화된, 비대칭의, 또는 변조된 (역) 베셀 빔과 같은 수정된 빔에도 동일하게 적용된다.

레이저 방사선을 하류에 있는 섹션으로 공급할 때 비선형 흡수 영역을 피할 수 있지만, 부분 투명 공작물의 선형 흡수는 준 비-회절 빔의 하류 섹션을 형성하는 레이저 방사선에 영향을 미친다.

도 3d 내지 도 3f를 참조하여, 부분 투명 공작물(3)의 흡수하는 재료 특성의 영향에 대한 고려사항이 요약되어 있다. 레이저 빔의 광축(9)에 대한 공기 중 진입각(β) 또는 재료 내 진입각(원뿔각)(β')으로 (방사상) 빔 성분의 진입을 볼 수 있다. 진입각(β')은 공작물의 굴절률(n)에 대해 로 주어진다. 준-비선형 빔은 부분 투명 공작물(3)의 전체 두께(d)에 걸쳐 진입되는 빔 성분의 간섭에 의해 공작물(3)의 빔 축(9)을 따라 형성될 수 있다.

선형 흡수는 에 따라 "광학 깊이"를 통해 설명될 수 있다. 이로부터 흡수 계수(α)는 다음과 같이 된다: .

선형 흡수는 광축(9)의 위치(x)까지 광 경로를 따라 발생한다(도 3d 내지 도 3f와 관련하여 레이저 방사선의 전파는 x 방향으로 이루어짐). 관련 경로 길이는 에 의해 주어진다. 수정된 흡수 계수()를 사용하면 광 경로를 따라 출력 감소는 로 주어진다. 광축을 따른 출력 감소(재료의 감쇠 거동)는 로 주어진다.

예를 들어, 도 3e는 β = 20°의 위상 부여된 방사선의 원뿔각에서 두께(d) = 1 mm, 굴절률(n) = 1.45의 부분 투명 재료에 대한 감쇠 거동을 보여준다. 출력의 50 %가 재료에서 선형으로 흡수된다고 가정하면(입구 측의 P0 = 1, 출구 측의 Pd = 0.5), 수정된 흡수 계수(α')는 0.71이 된다.

도 3e는 지수 함수 출력 강하 P(x)를 보여준다. 재료의 감쇠 거동을 보정하기 위해, P(x)의 반전을 통해 필요한 보정을 제공한다(). 도 3f는 위에서 예시적으로 논의된 값에 대한 보정 함수 Pk(x)를 보여준다. 부분 투명 재료에서 보정 함수의 곡선은 선형 흡수가 존재하지 않는 경우 비-회절 빔의 광축(9)에서 필요한 강도 곡선에 대응된다.

즉, 도 3b의 섹션(6A_T, 6B_T, 6C_T)에서 비교 가능한 강도를 형성하려면, 레이저 방사선(5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T)의 기여하는 성분이 준 비-회절 빔의 해당 섹션에 비교 가능한 강도 엔트리를 도입해야 한다. 즉, (재료와의 비교 가능한 상호 작용에 대해) 비교 가능한 비선형 흡수가 각각의 섹션에서 발생하려면, 상이한 섹션(6A_T, 6B_T, 6C_T)에 대한 원시 레이저 빔(5')의 강도의 강도 성분(I_A, I_B, I_C)이 비교 가능해야 한다.

도 4는 부분 투명 공작물을 가공하기 위해, 투명 공작물용으로 설계된 빔 성형 광학장치에 의해 생성된 균질화된 베셀 빔이 사용될 때, 선형 흡수의 효과를 보여준다.

초점 영역을 통한 강도 종방향 단면(31A) 및 투명 공작물에 존재하는 것과 같이 균질화된 베셀 빔의 빔 축(9)을 따른 관련된 강도 곡선(31B)을 볼 수 있다. 빔 축(9)을 따른 최대 강도는 ― 투명 공작물을 사용하는 적용에 따라 ― 준 비-회절 빔의 상당한 길이(도 4의 선(32A, 32B)으로 표시됨)에 걸쳐 본질적으로 일정하다.

이제 이렇게 균질화된 베셀 빔을 부분 투명 재료에 조사하면, 선형 흡수로 인해 빔 축(9)을 따라 강도가 재료에 대한 침투 깊이에 따라 연속적으로 감소하는 점선 강도 곡선(31C)이 생성된다. 점선 강도 곡선(31D)은 변조된 준 비-회절 빔에 대한 상응하는 강도 감소를 나타내며, 이는 투명 재료에서 균일한 강도 곡선 대신에 전파 방향에서 복수 개의 비교 가능한 강도 최대값을 형성한다.

도 5는 준 비-회절 레이저 빔을 이용한 공작물의 재료 가공을 위해 본 명세서에서 제안된 방법을 순서도에 나타낸 것으로서, 여기서 공작물은 준 비-회절 레이저 빔에 대해 부분 투명인 재료를 포함한다. 부분 투명도는, 재료가 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선의 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는다는 것을 의미한다.

이 방법은 빔 성형을 위한 원시 레이저 빔이 생성되는 단계(101)를 포함한다. 원시 레이저 빔의 생성은, 단계(101A)에서, 수행될 재료 가공을 위해 설계된 빔 파라미터(충분한 출력, 원하는 펄스 지속 시간 등)를 갖는 레이저 시스템(도 2에서: 레이저 소스(11))을 사용하여 레이저 빔을 생성할 수 있다. 또한, 단계(101B)에서, 원시 레이저 빔의 빔 직경과 같은 기하학적 빔 파라미터는 (예를 들어, 도 2에서 빔 조정 광학장치(17A)를 사용하여) 위상 부여를 위해 제공되는 빔 성형 요소, 특히 구현된 2차원 위상 분포에 맞게 조정될 수 있다.

이 방법은 원시 레이저 빔(도 2에서: 원시 레이저 빔(5'))이 빔 성형을 위한 광학 빔 성형 시스템(도 2에서: 선택적으로 빔 조정 광학장치를 포함하는 광학 빔 성형 시스템(13))으로 원시 레이저 빔 강도(여기서는 전체 원시 레이저 빔(5')의 강도)로 조사되는 단계(103)를 더 포함한다. 여기서, 광학 시스템은 원시 레이저 빔(빔 성형이 이루어진 후)이 공작물에서 공작물의 재료 가공을 위해 종 방향으로 연장되는 초점 영역을 갖는 준 비-회절 레이저 빔을 형성할 수 있는 방식으로 구성된다. 광학 빔 성형 시스템을 통해, 준 비-회절 레이저 빔이 초점 영역에서 종 방향으로 가변적인 강도 분포를 갖도록 원시 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 수행된다. 빔 성형으로 인해, 전파 방향으로 배열된 준 비-회절 레이저 빔의 섹션(도 3에서: 섹션(6A, 6B, 6C))은 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역(도 2에서: 예시적으로 빔 성분(5A, 5B, 5C)에 할당된 환형 형상의 단면적(R_A, R_B, R_C))에 의해 형성된다. 여기서, 도 2의 표현은, 위상 부여가 일반적으로 원시 레이저 빔의 상이한 빔 단면 영역으로부터 초점 영역의 위치로 (종 방향으로) 레이저 방사선이 안내될 수 있는 방식으로 자유롭게/유연하게 수행될 수 있다는 취지로 단순화되었다. 이 경우, 원시 레이저 빔 강도의 강도 성분(도 2에서: 강도 성분(I_A, I_B, I_C))이 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역에 할당된다.

원시 레이저 빔을 광학 빔 성형 시스템으로 조사(단계(103))함으로써 원시 레이저 빔의 빔 성형(단계(101A))이 수행된다. 따라서, (특히 회절 광학 빔 성형 요소 또는 예를 들어 (원뿔각으로) 수정된 엑시콘 광학장치에 의한) 2차원 위상 분포의 부여(단계(103A))는 원시 레이저 빔(5')의 빔 단면에 수행된다(위상 부여된 레이저 방사선의 형성). 부여된 2차원 위상 분포는, 위상 부여된 레이저 방사선이 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역으로부터 전파 방향으로 배열된 준 비-회절 레이저 빔의 섹션으로 공급되도록 이루어진다.

위상 부여의 목표는 이제, 공작물의 부분적인 투명성에도 불구하고 공작물 내의 초점 영역의 상당한 길이에 걸쳐 적어도 대략 일정한 강도 프로파일을 달성하는 것이다.

이는 강도 성분 중 적어도 하나 및/또는 빔 단면 영역 중 적어도 하나의 크기에 기초하여 위상 부여를 설정함으로써 단계(103)에서 구현된다. 이 경우 위상 부여의 설정은, 초점 영역에서 종 방향으로 공작물의 부분 투명 재료에 조사할 때 준 비-회절 레이저 빔의 결과적인 강도 분포가 적어도 대략 일정하도록 수행된다. 즉, 이러한 설정은, (종 방향으로) 초점 영역의 상이한 위치에 대해 강도 성분을 할당할 때 각각의 빔 단면 영역으로부터 준 비-회절 레이저 빔의 관련된 섹션까지 광 경로를 따라 선형 흡수로 인해 발생하는 강도 손실이 각각의 경우에 고려되는 방식으로 수행된다. 이러한 고려는 재료 가공과 관련하여, 준 비-회절 레이저 빔의 섹션 내의 재료가 각각의 섹션 내의 준 비-회절 레이저 빔의 강도에 의존하는 비선형 흡수에 기초하여 수정되도록 구현된다.

단계(103)에서, 예를 들어 종횡비가 적어도 1:10, 특히 적어도 1:100 인 준 비-회절 레이저 빔을 생성하기 위해, 선형 흡수로 인해 준 비-회절 레이저 빔을 따른 강도의 감소가 적어도 부분적으로 보정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 단계(103)는, 예를 들어, 선형 흡수가 실질적으로 없는 기준 재료에서 준 비-회절 레이저 빔을 형성할 때, 기준 재료에서 준 비-회절 레이저 빔을 따라 강도가 가변적인 것, 예를 들어 증가되는 것을 포함할 수 있다.

단계(103)에서, 선형 흡수를 특별히 고려한 위상 부여가 빔 성형 시스템에서 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 빔 단면 영역에서 방사상 방향으로 부여될 위상 기울기가 설정될 수 있다(단계(103A)). 위상 부여에서, 빔 단면 영역의 기하학적 파라미터(예를 들어, 크기 및 위치)가 또한 조정/설정될 수 있다(단계(103B)). 따라서, 균일한 위상 부여를 받는 원시 레이저 빔에 대한 빔 단면 영역의 크기 및/또는 빔 단면 영역의 위치는 원시 레이저 빔의 미리 정해진 강도 성분에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어 환형 형상의 개별적인 빔 단면 영역 외에도, 빔 단면 영역에 상이한 위상 부여가 중첩될 수도 있다; 예를 들어, 방사상 방향으로 복수의 위상 기울기가 빔 단면 영역에서 동시에 구현되어, 이러한 빔 단면 영역으로부터 광축을 따라 복수의 위치로 레이저 방사선을 공급할 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 단계(103)에서, 추가로 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)에 할당된 원시 레이저 빔의 강도 성분을 설정하기 위해, 원시 레이저 빔의 빔 직경이 빔 성형 광학장치에서 설정될 수 있다(단계(103C)). 따라서, 빔 직경은, 가공을 위해 존재하는 재료의 선형 흡수 이외의 흡수를 위해 설계된 위상 부여를 다른 선형 흡수에도 사용하기 위해, 증가 또는 감소될 수 있다.

단계(105)에서, 펄스 지속 시간 및 펄스 에너지와 같은 레이저 빔의 빔 파라미터는 공작물의 재료가 준 비-회절 빔에서 (구조적으로) 수정되도록 재조정될 수 있다.

단계(107)에서, 위상 부여된 레이저 방사선은 공작물의 부분 투명 재료에 포커싱된다; 즉, 준 비-회절 레이저 빔의 적어도 일부가, 발생된 선형 흡수가 위상 부여에 의해 적어도 부분적으로 보정되는 방식으로 공작물 내에 위치된다.

또한, 단계(109)에서, 공작물과 준 비-회절 레이저 빔 사이의 상대적 이동이 수행될 수 있는데, 여기서 준 비-회절 레이저 빔은, 수정의 배열/어레이가 스캐닝 궤적을 따라 공작물의 재료에 기록되도록, 스캐닝 궤적을 따라 공작물의 재료에 반복적으로 위치된다.

도 6a 및 도 6b는 부분 투명 재료를 가공하기 위해 균질화된 베셀-가우시안 빔을 위한 수정된 액시콘의 기하학적 구조를 보여준다. 도 6a는 광축(9)으로부터의 거리에 따라 종래의 액시콘의 두께(d)가 선형적으로 감소하는 것을 보여준다. 반면, 도 6b는 그에 상응하는 수정된 액시콘의 두께(d)가 감소하는 것을 보여준다. 처음에는 (방사상으로 내측으로) 두께(d)가 더 크게 감소하고, 그 다음에는 두께(d)가 더 느리게 감소하고, 다시 그 후에는 두께(d)가 더 크게 감소하는 것을 볼 수 있다. 두께(d)의 변동으로 인해, 강도 성분이 전파 방향으로 준 비-회절 레이저 빔으로 역방향으로 시프트/굴절된다. 그 결과 부분 투명 공작물에서 균질화된 강도 분포는 본질적으로 투명한 재료를 가공하기 위해 도 4에 이미 표시된 강도 분포와 일치하는 것이 바람직하다.

이미 언급된 바와 같이, 상응하는 위상 부여는 대안적으로 또는 추가적으로 반사적으로 또는 회절 광학 빔 성형 요소를 사용하여 수행될 수 있다.

도 6c는 회절 광학 빔 성형 요소의 위상 편이 값으로 시뮬레이션될 수 있는 바와 같이, +π와 -π 사이에서 진동하는 위상 곡선(얇은 요소 근사치로 계산됨)을 보여준다. 회절 광학 빔 성형 요소로 위상 부여를 설정하는 것은 회전 대칭인 경우 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역에 방사상 방향으로 부여된 (톱니 모양) 위상 기울기를 설정하는 것을 포함한다.

구체적으로, 도 6c는 도 6b의 수정된 액시콘의 중앙 영역에서의 위상 부여에 대응하는 위상 곡선을 보여주는데; 즉, 위상 곡선은 수정된 액시콘의 높이 프로파일을 시뮬레이션한다. 도 6b에서는, +π와 -π 사이의 위상 편이 값의 진동이 고정 원뿔각으로부터의 편차를 추적하기 위해 방사상으로 그 진동 주파수가 어떻게 변하는지를 알기 어렵다.

도 7은 회전 대칭 광학 빔 성형 시스템 및 그에 상응하게 회전 대칭 레이저 빔 및 강도 분포를 사용하여 부분 투명 공작물의 재료 가공을 위한 강도 분포를 형성하는 것을 보여준다.

도 7은 원시 레이저 빔(5')이 종래의 액시콘(15B) 또는 수정된 액시콘(15C)에 충돌하기 직전의 모습을 보여준다. 또한, 도 7은 빔 성형으로 인해 발생하는 바와 같은 강도 분포를 개략적으로 도시한 것으로서, 본질적으로 투명한 재료에서는, 즉 선형 흡수가 없는 경우(강도 I(-))에는 위쪽으로 도시되고, 또는 부분 투명 재료에서는, 즉 선형 흡수가 있는 경우(강도 I(+))에는 아래쪽으로 도시된 것을 보여준다.

종래의 액시콘(15B)은 입사 가우시안 빔(예시적인 강도 분포(G_1))의 경우 투명 재료에서 종방향 강도 분포(BG_1(-))를 갖는 베셀-가우시안 빔을 형성하고, 부분 투명 재료에서 종방향 강도 분포(BG_1(+))를 갖는 변형된 베셀-가우시안 빔을 형성하며, 여기서 전파 방향으로의 선형 흡수로 인해 강도 분포(BG_1(+))가 강도 분포(BG_1(-))보다 더 빠르게 감소한다.

예를 들어, 투명 재료의 처리를 위해 수정된 액시콘(15B)은, 투명 재료에서 강도 분포(G_1) 및 상응하는 빔 직경(D_1)을 갖는 입사 가우시안 빔의 경우, 전파 방향으로 균질화된 베셀-가우시안 빔이 균질화된 강도 분포(BG_h(-))(도 4에서 31B에 대응됨)로 형성되도록 수정될 수 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 균질화된 강도 분포는 부분 투명 재료에 조사될 때 선형 흡수로 인해 변형된다(강도 분포(BG_h(+)); 도 4의 31C에 대응됨). 펄스 지속 시간 및 펄스 에너지와 같은 원시 레이저 빔(5')의 적절한 빔 파라미터가 설정되어 있다고 전제하면, 균질화된 강도 분포(BG_h(-))는 전파 방향의 길이(L(-))에 걸쳐 투명 재료와 비선형 흡수/상호 작용을 유발하는 강도를 생성할 수 있다. 부분 투명 재료에 조사될 때 이 길이가 본질적으로 짧아진다는 것을 강도 분포(BG_h(+))에서 확인할 수 있다.

선형 흡수를 보정하기 위해, 위상 부여, 즉 수정된 액시콘의 예에서는 빔 축(9)으로부터의 거리에 따른 액시콘의 두께(d)의 감소 및 회절 광학 요소에서는 위상 편이 값의 설정은, 종 방향(z)에서 "강도 성분을 재분배"함으로써 적어도 거의 일정한 강도 분포를 발생시키도록 조정될 수 있다.

전파 방향으로의 기울기가 선형 흡수에 맞게 조정되고 본질적으로 강도 감소를 보정하는 방식으로 강도 성분이 재분배되면, 부분 투명 재료에 조화로운 강도 분포(BG_2h(+))가 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 균질화된 강도 분포(BG_2h(+))는 ― 원시 레이저 빔(5')의 상응하는 빔 파라미터가 조사된 경우 ― 전파 방향으로 길이(L(+))에 걸쳐 부분 투명 재료와 비선형 흡수/상호 작용을 유발하는 강도를 생성할 수 있다. 해당 레이저 출력을 사용할 수 있는 경우, 길이(L(+))는 길이(L(-))와 비슷하게 치수가 정해질 수 있다. 이러한 위상 부여된 레이저 빔이 투명 재료에 조사되면, 준 비-회절 레이저 빔을 따라 침투 깊이에 따라 증가하는 강도 분포(BG_2(-))가 발생한다.

선형 흡수를 보정하기 위해, 대안적으로 또는 추가적으로 입사된 원시 레이저 빔(5')의 빔 직경은 예를 들어 망원경(17A)을 사용하여 확대될 수 있다(도 7의 빔 직경(D_2)). 이것은 단면 영역(R_B, R_C)에서 강도 성분을 증가시킨다. 예를 들어, 균질화된 강도 분포(BG_h(-))에 대한 위상 부여에서 외부 빔 성분은 준 비-회절 레이저 빔의 후방 섹션(6B_T, 6C_T)에 기여하므로, 부분 투명 재료에서 (예를 들어, 투명 재료에서 균질화된 강도 분포(BG_h(-))에 대한 위상 부여에서 시작하여) 베셀-가우시안 빔의 경우 빔 반경을 확대함으로써 적어도 부분적으로 흡수가 보정될 수 있다. 즉, 강도는 준 비-회절 레이저 빔을 따라 적어도 거의 일정하게 존재할 수 있다(균질화된 강도 분포(BG_2h(+))와 유사함). 투명한 재료의 경우, 준 비-회절 레이저 빔을 따라 강도가 증가한다(강도 분포(BG_2(-))). 도 7의 강도 곡선은 강도의 감소 또는 증가를 나타내기 위해 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 선형 흡수의 지수적 영향도 개략적으로 도시되어 있음을 알 수 있다.

도 7과 관련하여 도시된 바와 같이, 빔 직경이 조정되는, 투명 재료에 최적화된 빔 성형 광학 장치를 사용하면 투명 재료 또는 부분 투명 재료에 대한 강도 분포에 차이가 발생한다. 당업자는 이것이 순수한 빔 확장에서 강도 성분이 거칠게 조정되기 때문이라는 것을 인식할 것이다. 또한, 빔 성형 광학장치의 혼합 구성에서, 주어진 빔 직경에서 투명 재료뿐만 아니라 다른 빔 직경에서 부분 투명 재료에 대해서도 적합한 강도 분포가 생성될 수 있다.

도 8은 중앙 강도 최대값을 갖는 부분 투명 재료에서 생성된 준 비-회절 레이저 빔의 세부 사항을 예시적으로 보여준다. 표현 (a)는 전파 방향(z 방향)의 단면을 보여주며, 여기서 방사상 외측 (환형 형상의) 이차 최대값과 함께 뚜렷한 중심 강도 최대값을 볼 수 있다. 표현 (b)는 본질적으로 전체 길이에 걸쳐 고원을 형성하는 z 방향의 강도 곡선을 보여준다(균질화된 강도 분포). 표현 (c1), (c2) 및 (c3)은 각각 고원의 시작, 중간 및 단부에서 횡방향 단면(x-y 평면)의 강도 곡선(빔 프로파일)을 보여준다.

z = 75 a.u.(고원의 중간)의 평균 빔 프로파일은 z = 10 a.u.(고원의 시작) 또는 z = 110 a.u.(고원의 단부)의 프로파일에 비해 횡방향 치수가 대략 2 배 스케일링된다. 이는 예를 들어 중앙 최대값의 직경에서 확인할 수 있다. 중앙 최대값의 직경의 변동은, 여러 입사각이 기여하고 준 비-회절 레이저 빔의 횡방향 범위가 종 방향으로의 초점 영역의 위치에서 광축에 대한 기여하는 진입각에 따라 달라지는 것에 기인한다.

일반적으로 종 방향의 위치에서 강도에 대해 여러 진입각이 기여하는 것을 사용할 때는, (전체적으로 가능한 한 일정한 강도를 위해) 진입각은 상쇄 간섭을 유발하는 위상 시프트를 가능한 한 발생시키지 않는다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에 대한 제1 각도로 안내된 레이저 방사선은 복수의 위치 중 (동일한) 적어도 하나의 위치에 대한 제2 각도로 안내된 레이저 방사선에 대해 ±π/4 미만의 위상차를 갖는 것이 바람직하다.

완전성을 위해, 부분 투명 재료에 대해 균질화된 역 베셀-가우시안 빔의 경우, 입사된 원시 레이저 빔의 중앙의 빔 기여가 준 비-회절 레이저 빔의 단부에서의 강도에 기여한다는 점에 유의한다. 이러한 균질화된 역 베셀-가우시안 빔에 대해 준 비-회절 레이저 빔을 따라 (선형 흡수 없이) 강도를 증가시키려면, 준 비-회절 레이저 빔의 하류 섹션과 관련된 강도 성분을 상응하게 증가시키기 위해 빔 단면을 상응하게 감소시키는 것이 필요하다.

도 8의 표현 (d) 및 (e)는 역 베셀형 빔을 형성하기 위한 회절 광학 요소/부여된 위상 프로파일의 예시적인 중앙 단면을 보여준다. 개략적으로, 인접한 표면 요소(15a)가 도시되어 있으며, 이 표면 요소는 평평한 격자 구조를 형성한다. 각각의 표면 요소(15a)에는 위상 편이 값이 할당되며, 이 위상 편이 값은 통과하는 레이저 방사선에 부여된다. 격자 구조의 위상 편이 값들은 함께, 원시 레이저 빔이 통과하여 해당 위상 부여를 경험하는 위상 마스크를 형성한다.

표현 (d)는 이상적인 (역) 액시콘을 구현하기 위한 위상 마스크에 속한다(위상 편이 값의 통과에서 주기는 변하지 않음). 이러한 회절 광학 요소에 의한 위상 부여는 도 1의 표현 (f)에 따라 강도 분포를 형성하는 데 사용될 수 있다.

표현 (e)는 (역) 수정된 액시콘을 구현하기 위한 위상 마스크에 속한다(위상 편이 값의 통과 주기는 반경에 따라 달라짐). 위상 분포는 특정 빔 직경의 경우 관련 흡수 계수를 고려하여 부분 투명 공작물에서 종 방향 균질화를 기대할 수 있도록 설계된다. 더 큰 빔 직경이 선택되면, 도 4에 도시된 것과 유사한 역 균질화된 베셀 빔의 강도 프로파일이 투명 재료에서 양호한 근사치로 생성될 수 있다.

도 8의 표현 (d) 및 (e)와 관련하여 복소 공액 위상 분포(위상 편이 값의 부호가 반전됨)는 해당 실제 액시콘 광학장치의 구현을 허용한다는 점에 유의해야 한다.

도 9는 원시 레이저 빔으로부터 준 비-회절 레이저 빔(위상 부여로 인한 강도 분포를 가짐)을 형성하기 위한 광학 시스템에서 부분 투명 공작물의 재료 가공에 사용하기 위해 제공되는 빔 성형 요소를 형성하는 방법을 설명하는 순서도를 보여준다. 이 방법은 원시 레이저 빔의 미리 정해진 횡방향 강도 분포를 위한 위상 부여, 특히 원시 레이저 빔의 미리 정해진 빔 직경 및 공작물의 부분 투명 재료의 미리 정해진 선형 흡수를 설정하는 것을 목표로 한다. 특히 이 방법은 회절 광학 요소로 생성된 위상 마스크의 위상 프로파일을 결정하는 데 사용할 수 있다.

가공될 재료의 흡수 거동이 주어진다. 예를 들어, 도 3d에서 강도(Pd)를 측정함으로써, 준 비-회절 레이저 빔의 주파수 범위에서 부분 투명 재료의 선형 흡수 파라미터("광학 깊이(τ)")를 제공할 수 있다(단계(201)). 이를 기초로 하여, 예를 들어 전체 두께(d)에 걸쳐 또는 원하는 길이로 재료를 수정하는 데 필요한 공작물 내의 광축에 대한 목표 강도 분포를 계산(또는 결정)한다(단계(203)). 준 비-회절 레이저 빔의 광축을 따라 공작물 내의 목표 강도 분포의 결정은, 목표 강도 분포가 적어도 부분적으로, 광축을 따라 복수의 위치에서 공작물의 재료를 수정하기 위해 존재하는 각각의 레이저 방사선 강도에 의존하는 비선형 흡수에 필요한 강도 임계값 초과의 강도를 갖도록 수행될 수 있다.

위상 분포를 결정하기 위해, 원시 레이저 빔의 횡방향 빔 프로파일(강도 프로파일)이 또한 제공되어야 하며, 여기에는 위상 분포가 부여되어야 한다(단계(205)).

이 경우 목표 강도 분포에 대해 액시콘 유사 요소(예를 들어, 수정된 굴절 또는 반사 액시콘 또는 회절 광학 요소)의 광학 설계가 계산된다(단계(207)):

-- 액시콘(기울기 각도/위상 기울기가 일정함)에 의한 위상 부여로부터, 기울기 각도가 변경될 수 있는 방사상 요소로 세분화된다. 위상 기울기는 레이저 방사선이 광축으로 안내되는 진입각에 해당한다. (횡방향 빔 프로파일을 특히 환형 형상으로 형성된 빔 단면 영역(DOE 영역 또는 액시콘의 방사상 영역에 해당)으로 세분화 ― 단계(207A) ― 및 초기 위상 분포로서 빔 단면 영역에 걸쳐 반경 방향으로 특히 동일한 선형 위상 기울기를 할당 ― 단계(207B))

-- 방사상 요소의 기울기 각도를 변경하면 그에 따라 위상 부여가 수정된 이제 수정된 액시콘의 새로운 높이 프로파일이 생성된다. 이는 원시 빔의 알려진 출력 성분과 함께, 초점 영역에 대한 출력 엔트리의 재분배로 이어지며, 이는 계산될 수 있다.

-- 원하는 목표 강도 분포가 나타날 때까지 기울기 각도의 예를 들어 반복적인 조정이 수행될 수 있다. (빔 단면 영역의 위상 기울기를 반복적으로 조정하고, 광축을 따라 목표 강도 분포가 공작물에 나타나게 하는 선형 흡수를 보정하는 위상 분포가 나타날 때까지 선형 흡수 파라미터를 고려하여 광학 시스템에 원시 레이저 빔을 조사한 후 광축을 따라 공작물에서 나타나는 강도 분포를 계산 ― 단계(207C)).

빔 단면 영역에 존재하는 원시 레이저 빔의 강도 성분과 함께, 선형 흡수를 보정하는 위상 분포의 반복적으로 조정된 위상 기울기는 목표 강도 분포를 형성하기 위해 광축을 따라 준 비-회절 레이저 빔에 기여하는 레이저 방사선의 재분배를 유발할 수 있다.

빔 성형 요소의 형성을 위해, 빔 성형 요소는 선형 흡수를 보정하는 위상 분포가 제공된다(단계(209)). 이를 위해, 광학 재료/미러에 대한 특정 높이 프로파일이 보정 위상 분포로부터 도출되어, 광학 재료로부터의 높이 프로파일을 각각 광학 재료의 두께 프로파일 또는 미러 프로파일로 갖는 굴절 또는 반사 광학 액시콘 요소를 형성할 수 있다. 또한, 보정 위상 분포의 회절 구현은 회절 광학 요소(예를 들어, 위상 편이 값이 고정 설정된 프레넬 액시콘과 같은 회절 광학 요소, 또는 선형 흡수를 보정하는 위상 분포에 따라 위상 편이 값이 설정된 공간 광 변조기)를 사용하여 수행될 수 있다.

복수의 기여하는 원뿔각에 의한 보정 위상 분포에 의해, 레이저 빔은 복수의 하위 빔으로 간주될 수 있고, 여기서 각각의 하위 빔은 공작물에 진입하여 광축을 향해 테이퍼지는 각기 다른 진입각을 가질 수 있다. 방법에 따라 결정되는 진입각은 원시 레이저 빔의 각각의 빔 단면 영역에서 위치 및 강도에 따라 달라진다.

선형 흡수를 보정하는 위상 분포로 인해, 레이저 방사선은 복수의 각도로 광축을 따라 복수의 위치 중 적어도 하나로 안내된다. 예를 들어, 원시 레이저 빔의 빔 단면 영역은 적어도 2 개의 환형 형상으로 형성된 빔 단면 영역을 포함한다. 2 개의 환형 형상으로 형성된 빔 단면 영역에 대한 위상 기울기는, 2 개의 환형 형상으로 형성된 빔 단면 영역의 레이저 방사선이 2 개의 상이한 원뿔각으로 복수의 위치의 공통 위치에 공급되도록 설정될 수 있다.

본 명세서에서 개념을 설명하기 위해 도입된 "빔 단면 영역" 및 관련 "준 비-회절 빔의 섹션"이라는 용어 및 도면에서의 이들의 식별은 섹션에 면적을 고정적으로 할당하는 것을 강제하지 않는다. 오히려, 회절 광학 빔 성형 요소의 빔 단면 영역은, 예를 들어 회절 구조가 중첩된 경우, 준 비-회절 빔의 여러 섹션에 레이저 방사선을 공급할 수도 있다. 당업자는 여기서 개별적인 섹션으로 제한을 둘 필요는 없고, 도 7에 도시된 균질화된 강도 분포를 갖는 수정된 액시콘의 예를 참조하여, 연속적인 섹션도 제한적인 경우로 포함된다는 것을 추가로 이해할 것이다.

재료의 비선형 흡수를 포함하는 부분 투명 재료의 재료 가공과 관련하여, 준 비-회절 레이저 빔은 준 비-회절 레이저 빔의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 재료의 수정을 발생시킬 수 있다. 당업자는, 본 명세서에 개시된 개념에 기초하여, 준 비-회절 레이저 빔으로 수정 영역의 선형 어레이/배열 또는 예를 들어 평평한 배열이 생성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이를 위해, 예를 들어 전파 방향에서 국부적 강도 최대값의 어레이를 생성하는 빔 성형이 사용될 수 있다(도 4 참조). 강도 최대값은 엔벨로프 프로파일에 의해 경계가 정해질 수 있다. 엔벨로프 프로파일은 또한 형성될 수 있고, 예를 들어 그 곡선이 도 7에서 생성된 강도 곡선에 대응될 수 있다.

레이저 기반 재료 가공의 결과로서, 복수의 이격된 또는 병합된 수정이 도입된 부분 투명 공작물이 존재할 수 있다. 수정은, 인접한 수정들 사이에서 또는 일반적으로 수정들 중 하나로부터 공작물의 재료 내로 무작위로 연장되는 균열을 재료에 추가로 형성할 수 있다.

완전성을 위해, 단일 대칭 수정을 유발하는 초점 영역의 강도 분포 외에도, 예를 들어 회절 광학 요소를 사용하여, 비대칭(예를 들어, 한 방향으로 평평한) 수정 또는 서로 평행하게 연장되는 복수의 수정을 유발하는 초점 영역의 강도 분포를 발생시키는 위상 부여가 수행될 수도 있다는 점에 유의해야 한다(도 1의 표현 (c) 참조). 일반적으로, 수정 또는 수정의 배열은 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 그룹으로 생성될 수 있다. 예시적인 위상 부여 및 강도 분포는 예를 들어 본 출원인의 2019년 10월 21일 출원일을 갖는 독일 특허 출원 10 2019 128 362.0, "세그먼트화된 빔 성형 요소 및 레이저 가공 시스템“ 및 Chen 외, "일반화된 액시콘 기반 비-회절 빔의 생성", arXiv:1911.03103v1 [physics.optics] 2019년 11월 8일에 개시되어 있다.

이러한 비대칭 수정 또는 수정의 어레이는 또한 부분 투명 재료를 가공하기 위해 본 명세서에 개시된 개념과 결합될 수도 있다. 즉, 이러한 비대칭 수정을 위해 수행되는 빔 성형은 또한 재료를 통해 전파될 때 준 비-회절 빔을 따른 강도의 영향을 보상할 수 있는 위상 부여와 결합될 수도 있다.

상세한 설명 및/또는 청구범위에 개시된 모든 특징들은 원 개시의 목적을 위해서 뿐만 아니라, 실시예 및/또는 청구범위에 기재된 특징들의 조합과 무관하게 청구된 발명을 한정하기 위한 목적을 위해서도 서로 분리되고 독립적인 것으로 간주되어야 한다는 점이 명시적으로 강조된다. 모든 범위 표시 또는 단위 그룹의 표시는 청구된 발명을 한정하기 위한 목적뿐만 아니라 원 개시의 목적을 위해서도, 가능한 중간 값 또는 단위의 하위 그룹을 각각 특히 범위 표시의 한계로서 개시한다는 것이 명시적으로 언급된다.

Claims

준 비-회절 레이저 빔(5)을 이용한 공작물(3)의 재료 가공 방법으로서,
상기 공작물(3)은, 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)에 부분적으로 투명하고 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 레이저 방사선 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함하며,
상기 공작물(3)의 재료 가공을 위해 종 방향(z)으로 연장되는 초점 영역(7)을 갖는 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하기 위해 펄스 원시 레이저 빔(5')을 광학 빔 성형 시스템(13)에 조사하는 단계(103) ― 상기 광학 빔 성형 시스템(13)에 의해, 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)을 형성하기 위해 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 빔 단면에 위상 부여가 수행됨 ― , 및
상기 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)을 상기 공작물(3)의 상기 부분적으로 투명한 재료에 포커싱하여, 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)이 형성되고, 상기 초점 영역(7)은 상기 종 방향(z)을 따라 설정될 수 있는 강도 분포를 갖는 단계(107)를 포함하고,
상기 위상 부여는, 상기 위상 부여된 레이저 방사선이 상기 공작물(3)의 상기 부분적으로 투명한 재료에 포커싱될 때, 상기 초점 영역(7)에서 상기 종 방향(z)으로 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))가 적어도 대략 일정하도록 설정되는 것인, 준 비-회절 레이저 빔(5)을 이용한 공작물(3)의 재료 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 상기 빔 단면에 대한 상기 위상 부여는, 레이저 방사선(5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T)이 상기 공작물(3)의 광축(9)을 따라 배치된 복수의 위치로 상기 광축(9)에 대해, 상기 공작물(3)의 상기 부분적으로 투명한 재료에서 특히 5° 내지 25° 범위의 진입각(δ'_1, δ'_2)을 포함하는 진입각 범위에서 안내되고 상기 복수의 위치에서 상기 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))를 갖는 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하도록 설정되고, 상기 부분적으로 투명한 재료에서 상기 복수의 위치로 상기 레이저 방사선(5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T)이 전파될 때 상기 선형 흡수로 인한 강도 손실이 발생하고,
상기 위상 부여는, 레이저 방사선이 상기 진입각 범위로부터 복수의 각도로 상기 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 안내되어, 상기 부분적으로 투명한 재료에서 상기 복수의 위치에서 상기 강도 손실이 발생함에도 불구하고 비선형 흡수를 위한 강도 임계값을 초과하도록 설정되고, 상기 부분적으로 투명한 재료에서의 상기 비선형 흡수는 상기 레이저 방사선의 각각의 경우에 존재하는 강도에 따라 달라지는 것인, 방법.
제2항에 있어서,
상기 복수의 위치 중 상기 적어도 하나의 위치로 제1 각도로 안내되는 레이저 방사선은 상기 복수의 위치 중 상기 적어도 하나의 위치로 제2 각도로 안내되는 레이저 방사선에 대해 Pi/4 미만의 위상차를 갖고, 그리고/또는
상기 위상 부여는, 상기 레이저 방사선(5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T)이 상기 복수의 위치로 회전 대칭적으로 안내되어 상기 복수의 각도 각각이 국부적 원뿔각을 나타내도록 설정되는 것인, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 부여를 설정하는 것은 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)에 부여되는 반경 방향의 위상 기울기를 설정하는 단계(103A), 및/또는 하나 이상의 위상 기울기가 부여되는 빔 단면 영역의 기하학적 파라미터를 설정하는 단계(103B)를 포함하는 것인, 방법.
제4항에 있어서,
상기 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)은 적어도 2 개의 환형 형상 또는 환형 세그먼트 형상으로 형성된 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)을 포함하며, 상기 2 개의 환형 형상 또는 환형 세그먼트 형상으로 형성된 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)을 위한 상기 위상 기울기는, 상기 2 개의 환형 형상 또는 환형 세그먼트 형상으로 형성된 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)의 레이저 방사선이 2 개의 상이한 원뿔각으로 상기 복수의 위치 중 공통 위치에 공급되도록 설정되는 것인, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)의 상기 위상 부여를 설정하는 것 이외에, 상기 초점 영역(7)에서 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 상기 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))를 발생시키기 위해, 상기 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)에 할당된 원시 레이저 빔 강도의 강도 성분(I_A, I_B, I_C)을 설정하는 단계(103C)가 수행되는 것인, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 부여는 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 미리 정해진 횡방향 강도 분포, 특히 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 미리 정해진 빔 직경, 및 상기 공작물(3)의 상기 부분적으로 투명한 재료의 미리 정해진 선형 흡수에 대해 설정되고,
상기 부분적으로 투명한 재료의 상기 미리 정해진 선형 흡수와 다른 선형 흡수를 갖는 재료에 대해, 위상 부여가 변경되지 않은 상태에서, 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 상기 횡방향 강도 분포, 특히 빔 직경이 상기 복수의 위치 중 하나의 위치에 공급되는 원시 레이저 빔 강도의 강도 성분을 증가 또는 감소시키도록 설정되는 것인, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 부여는, 상기 부분적으로 투명한 재료에서의 상기 선형 흡수로 인한 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 강도 감소가 적어도 부분적으로 보정되도록 설정되는 것인, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광축(9)을 따라 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 상기 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))는 최대 10 % 범위의 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 평균 강도로부터의 편차를 포함하는 강도 분포 또는 엔벨로프 강도 분포를 포함하고, 상기 평균 강도는 상기 공작물(3)의 상기 재료와 비선형 상호 작용이 일어나는 상기 초점 영역(7)의 부분과 관련되고,
선택적으로 상기 강도 분포 또는 상기 엔벨로프 강도 분포는 특히 실질적으로 일정한 것인, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초점 영역(7)의 복수의 위치에서의 상기 비선형 흡수에 기초하여 상기 강도 손실이 발생함에도 불구하고 상기 부분적으로 투명한 재료는 수정되고, 상기 부분적으로 투명한 재료의 상기 수정은
- 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 길이에 걸쳐 연장되거나, 또는
- 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)을 따라 수정 영역의 어레이로 구성되는 것인, 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
가우시안 횡방향 강도 프로파일을 갖는 레이저 빔이 펄스 원시 레이저 빔(5')으로 사용되고, 상기 광학 빔 성형 시스템(13)은 준 비-회절 레이저 빔(5)으로서 베셀-가우시안 빔을 형성하도록 구성되고, 그리고/또는
상기 초점 영역(7)에서 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 횡방향 범위가 상기 광축(9)을 따라 변하고, 그리고/또는
상기 초점 영역(7)의 위치에서 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 횡방향 범위는, 상기 초점 영역(7)의 상기 위치에서 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하기 위해 레이저 방사선이 상기 광축(9)에 입사되는 입사각(δ'_1, δ'_2)에 따라 달라지는 것인, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공작물(3)의 상기 부분적으로 투명한 재료가 수정되도록 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')의 빔 파라미터를 설정하는 단계(105),
상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 적어도 일부를 상기 공작물(3)에 위치시키는 단계, 및
상기 준 비-회절 레이저 빔(5)이 상기 공작물(3)에서의 스캐닝 궤적(T)을 따라 이동되어, 상기 스캐닝 궤적(T)을 따라 상기 공작물(3)에 수정의 어레이가 기록되도록 상기 공작물(3)과 상기 준 비-회절 레이저 빔(5) 사이의 상대적 이동을 발생시키는 단계(109) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인, 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 빔 성형 시스템(13)은 회절 광학 빔 성형 요소를 포함하고, 상기 회절 광학 빔 성형 요소는, 평평한 격자 구조를 형성하고 각각에 위상 편이 값이 할당되는 인접한 표면 요소(15a)를 포함하며, 상기 위상 편이 값은 상기 설정된 위상 부여에 대응하는 2차원 위상 분포를 정의하고,
상기 펄스 원시 레이저 빔(5')을 상기 광학 빔 성형 시스템(13)에 조사하는 단계(103)에서, 상기 펄스 원시 레이저 빔(5')에 상기 위상 분포가 부여됨으로써, 상기 위상 부여는 상기 회절 광학 빔 성형 요소를 이용하여 수행되고,
선택적으로, 상기 광학 빔 성형 시스템(13)은 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조된 빔 성형 요소를 포함하는 것인, 방법.
준 비-회절 레이저 빔(5)을 이용한 공작물(3)의 재료 가공을 위한 레이저 가공 시스템(1)으로서,
상기 공작물(3)은, 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)에 부분적으로 투명하고 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 상기 레이저 방사선의 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함하며,
펄스 레이저 빔(5")을 출력하는 레이저 빔 소스(11),
종 방향(z)으로 연장되는 초점 영역(7)을 갖는 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하기 위해 상기 펄스 레이저 빔(5")을 빔 성형하기 위한 광학 빔 성형 시스템(13) ― 상기 광학 빔 성형 시스템(13)은
- 상기 레이저 빔(5")을 빔 직경을 갖는 원시 레이저 빔(5')으로 출력하도록 구성된 빔 조정 광학장치(17A), 및
- 상기 원시 레이저 빔(5')의 미리 정해진 빔 직경(D)에 대해 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)을 형성하기 위해 상기 원시 레이저 빔(5')의 빔 단면에 위상 부여를 수행하여, 상기 위상 부여된 레이저 방사선(5_PH)이 상기 공작물(3)의 상기 부분적으로 투명한 재료에 포커싱될 때 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)은 상기 초점 영역(7)에서 상기 종 방향(z)으로 적어도 대략 일정한 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))로 생성되도록 구성된 빔 성형 요소(15)를 포함함 ― , 및
상기 공작물(3)을 지지하기 위한 공작물 홀더(19) ― 상기 광학 빔 성형 시스템(13) 및/또는 상기 공작물 홀더(19)는 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)이 상기 공작물(3)의 상기 재료에서 스캐닝 궤적(T)을 따라 위치되도록 상기 공작물(3)과 상기 준 비-회절 레이저 빔(5) 사이의 상대적 이동을 발생시키도록 구성됨 ― 를 포함하는 것인, 준 비-회절 레이저 빔(5)을 이용한 공작물(3)의 재료 가공을 위한 레이저 가공 시스템(1).
제14항에 있어서,
상기 원시 레이저 빔(5')의 빔 단면에 대한 상기 위상 부여는, 상기 원시 레이저 빔(5')의 레이저 방사선이 상기 공작물(3)의 광축(9)을 따라 배치된 복수의 위치로 상기 광축(9)에 대해 진입각 범위에서 안내되고 상기 복수의 위치에서 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)을 형성하도록 상기 빔 성형 요소(15)를 사용하여 설정되고,
상기 부분적으로 투명한 재료에서 상기 복수의 위치로 상기 레이저 방사선이 전파될 때 상기 선형 흡수로 인해 강도 손실이 발생하고, 상기 위상 부여는, 레이저 방사선이 상기 진입각 범위로부터 복수의 각도로 상기 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치로 안내되어, 상기 부분적으로 투명한 재료에서 상기 복수의 위치에서 상기 강도 손실이 발생함에도 불구하고 각각 존재하는 레이저 방사선 강도에 의존하는 비선형 흡수에 대한 강도 임계값을 초과하도록 추가로 설정되는 것인, 레이저 가공 시스템(1).
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 위상 부여가 결정된 선형 흡수에 대한 상기 선형 흡수의 변동을 보상하기 위해 상기 빔 성형 요소(15)에서의 상기 빔 직경이 상기 미리 정해진 빔 직경(D)보다 크거나 또는 작도록 상기 빔 조정 광학장치(17A)를 설정하도록 구성된 제어기(21)를 더 포함하는 것인, 레이저 가공 시스템(1).
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 성형 요소(15)는 회절 광학 요소, 공간 광 변조기, 또는 수정된 굴절 또는 반사 액시콘(15C)으로 형성되고,
선택적으로, 상기 빔 성형 요소(15)는 특히 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 생성되는 것인, 레이저 가공 시스템(1).
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 부여는, 상기 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))가 최대 10 % 범위의 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 평균 강도로부터의 편차를 포함하는 강도 분포 또는 엔벨로프 강도 분포를 갖도록 형성되고, 상기 평균 강도는 상기 공작물(3)의 상기 재료와 비선형 상호 작용이 일어나는 상기 초점 영역(7)의 부분과 관련되며,
상기 강도 분포 또는 상기 엔벨로프 강도 분포는 특히 실질적으로 일정한 것인, 레이저 가공 시스템(1).
원시 레이저 빔(5')으로부터 준 비-회절 레이저 빔(5)의 빔 성형을 위한 광학 빔 성형 시스템(13)에서 공작물(3)의 재료 가공에 사용하도록 제공되는 특히 회절 광학 빔 성형 요소(15)를 형성하는 방법으로서,
상기 공작물(3)은, 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)에 부분적으로 투명하고 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 주파수 범위에서 레이저 방사선에 대해 상기 레이저 방사선 강도와 무관한 선형 흡수를 갖는 재료를 포함하고,
특히 선형 흡수 파라미터를 측정함으로써, 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 상기 주파수 범위에서 상기 부분적으로 투명한 재료의 선형 흡수 파라미터를 제공하는 단계(201);
상기 준 비-회절 레이저 빔(5)의 광축(9)을 따라 상기 공작물(3)에서 달성될 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))로서 목표 강도 분포를 결정하는 단계(203) ― 상기 광축(9)을 따라 복수의 위치에서 상기 공작물(3)의 상기 재료를 수정하기 위해, 적어도 부분적으로 상기 목표 강도 분포의 강도는, 각각 존재하는 레이저 방사선 강도에 의존하는 비선형 흡수를 위한 강도 임계값을 초과함 ― ;
2차원 위상 분포가 부여되는 상기 원시 레이저 빔(5')의 횡방향 빔 프로파일, 특히 빔 직경(D)을 규정하는 단계(205);
상기 횡방향 빔 프로파일에 대한 상기 2차원 위상 분포를 계산하는 단계(207) ― 상기 계산하는 단계는:
- 상기 횡방향 빔 프로파일을 특히 환형 형상으로 형성된 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)으로 세분화하는 단계(207A),
- 초기 위상 분포로서 상기 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)에 걸쳐 반경 방향에서 특히 동일한 선형 위상 기울기를 할당하는 단계(207B), 및
- 상기 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)에서 상기 위상 기울기를 반복적으로 조정하고, 상기 공작물(3)의 상기 광축(9)을 따라 상기 목표 강도 분포가 결과적인 강도 분포(BG_2h(+))로서 생성되는, 상기 선형 흡수를 보정하는 2차원 위상 분포가 존재할 때까지, 상기 선형 흡수 파라미터에 의해 주어진 선형 흡수를 고려하여, 상기 원시 레이저 빔(5')이 상기 광학 빔 성형 시스템(15)을 통과한 후 상기 공작물(3)에서 상기 광축(9)을 따라 생성되는 강도 분포를 계산하는 단계(단계 207C)에 의해 수행됨 ― ; 및
상기 빔 성형 요소(15)에, 상기 선형 흡수를 보정하는 상기 2차원 위상 분포를 제공하는 단계(209)를 포함하는 것인, 원시 레이저 빔(5')으로부터 준 비-회절 레이저 빔(5)의 빔 성형을 위한 광학 빔 성형 시스템(13)에서 공작물(3)의 재료 가공에 사용하도록 제공되는 특히 회절 광학 빔 성형 요소(15)를 형성하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 원시 레이저 빔(5')의 상기 빔 단면 영역(R_A, R_B, R_C)에 존재하는 강도 성분(I_A, I_B, I_C)과 함께, 상기 반복적으로 조정된 위상 기울기는 상기 목표 강도 분포를 형성하기 위해 상기 광축(9)을 따라 상기 준 비-회절 레이저 빔(5)에 기여하는 상기 레이저 방사선의 재분배를 발생시키는 것인, 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서,
위상 기울기는 레이저 방사선이 상기 광축(9)에 대해 안내되는 각도에 대응되며,
상기 선형 흡수를 보정하는 상기 2차원 위상 분포는, 레이저 방사선이 상기 광축(9)을 따라 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치에 복수의 각도로 안내되는 방식으로 반복적으로 결정되는 것인, 방법.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 성형 요소(15)는 상기 선형 흡수를 보정하는 상기 2차원 위상 분포에 따라 설정된 위상 편이 값이 제공된 인접한 표면 요소(15a)를 포함하며,
특히 상기 빔 성형 요소(15)는
- 위상 편이 값이 고정 설정된 프레넬 액시콘과 같은 회절 광학 요소, 또는
- 위상 편이 값이 상기 선형 흡수를 보정하는 상기 위상 분포에 따라 설정되는 공간 광 변조기로서 구현되는 것인, 방법.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선형 흡수를 보정하는 상기 2차원 위상 분포로부터 높이 프로파일, 특히 광학 재료의 두께 프로파일 또는 미러 프로파일을 도출하는 단계 ― 여기서 국부적 높이는 국부적 위상 편이 값에 대응됨 ― , 및
상기 빔 성형 요소로서 상기 높이 프로파일을 갖는 굴절 또는 반사 액시콘 광학장치를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.