KR20230118692A - 공작물의 레이저 가공을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

공작물의 레이저 가공을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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다니엘 플람
미카엘 예네
헨닝 하이밍
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 공작물(70)의 레이저 가공을 위한 장치에 관한 것으로, 빔 성형 장치(16, 16')에 입사하는 입력 레이저 빔(14)으로부터 초점 영역(18)을 형성하기 위한 빔 성형 장치(16, 16') 및 공작물(70)의 재료(72) 내로 초점 영역(18)을 이미징하기 위한 텔레스코프 장치(34, 34')를 포함하고, 이 경우 초점 영역(18)이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축(40)을 따라 연장되고 초점 영역(18)이 종방향 중심축(40)에 대해 수직인 평면에서 비대칭 단면을 갖는 방식으로 상기 빔 성형 장치(16, 16')를 이용해서 입력 레이저 빔(14)의 빔 단면에 위상 부여가 이루어진다.

Description

공작물의 레이저 가공을 위한 장치 및 방법
본 발명은 공작물의 레이저 가공을 위한 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 공작물의 레이저 가공을 위한 방법에 관한 것이다.
EP 2 859 984 B1호에 투과성 재료의 레이저 가공을 위한 방법이 공개되어 있으며, 상기 방법에서 레이저 펄스 버스트를 포함하는 레이저 빔이 제공되고, 레이저 빔의 펄스가 포커싱되고, 이 경우 투과성 재료 내에 레이저 빔의 종축을 따라 분포된 초점을 생성하도록, 투과성 재료 외부의 위치에 빔 웨이스트를 형성하기 위해, 하나 이상의 수차 광학 소자를 이용해서 포커싱이 이루어지고, 포커싱된 레이저 빔은 투과성 재료 내에 연속적인 레이저 필라멘트를 형성하고 유지하기에 충분한 에너지 밀도를 가지며, 이 경우 연속적인 레이저 필라멘트를 따라 증착된 레이저 에너지는 재료의 내부 변화를 일으키고, 내부 변화는 연속적인 필라멘트에 의해 정의된 형태를 갖는다.
US 10,173,916 B2호에 레이저를 사용하여 유리 기판의 에지를 챔퍼링(chamfering) 및/또는 베벨링(beveling)하기 위한 방법이 공개되어 있다.
US 2020/0147729 A1호에 가우스형 빔에 기초해서 상이한 광 패턴을 갖는 경사진 모서리를 형성하기 위한 절단 방법이 공개되어 있다.
본 발명의 과제는 곡선 가공 라인을 따른 공작물의 레이저 가공을 기술적으로 간단하게 수행할 수 있는 전술한 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 전술한 장치에서 본 발명에 따라, 상기 장치가 빔 성형 장치에 입사하는 입력 레이저 빔으로부터 초점 영역을 형성하기 위한 빔 성형 장치 및 공작물의 재료 내로 초점 영역을 이미지화하기 위한 텔레스코프(telescope) 장치를 포함하고, 상기 초점 영역이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축을 따라 연장되고 초점 영역이 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에 비대칭 단면을 갖는 방식으로 상기 빔 성형 장치를 이용해서 입력 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 이루어짐으로써 해결된다.
빔 성형 장치를 이용해서, 상기 초점 영역은 입력 레이저 빔의 빔 단면에 적절한 위상 부여에 의해 기술적으로 간단한 방식으로 소수의 부품으로 구현될 수 있다.
특히, 초점 영역은 상호 작용 영역을 형성하고, 공작물의 재료에 이러한 이 상호 작용 영역을 적용함으로써 국부적인 재료 변형이 발생될 수 있으며, 이러한 재료 변형에 의해 특히 재료의 분리가 가능해진다.
초점 영역이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축을 따라 연장됨으로써, 예를 들어 공작물에서 적어도 부분적으로 만곡된 영역이 광학 수단의 간단한 통과로 및/또는 광학 수단을 조정하지 않고 가공될 수 있다. 이로 인해 예를 들어 공작물 상의 라운드된 영역이 변형될 수 있고 및/또는 공작물에서 분리될 수 있다. 예를 들어, 이로 인해 공작물의 에지 영역이 라운드 처리될 수 있다.
초점 영역의 비대칭 단면을 이용해서 피드 방향으로 서로 인접한 변형 영역 사이의 균열 형성이 제어 및/또는 최적화될 수 있다. 특히 이로 인해 균열은 서로 인접한 변형 영역 사이의 최단 연결 라인에 대해 적어도 거의 평행하게 정렬될 수 있다. 그 결과 공작물의 최적화된 분리가 달성될 수 있다.
특히, 빔 성형 장치의 빔 출력 측에서 아웃 커플링된 부분 빔의 위상 분포가 불연속적이고 및/또는 점프 불연속점을 갖는 것이 제공될 수 있다. 결과적으로 간섭에 의해 그리고 특히 아웃 커플링된 부분 빔의 완전하지 않은 보강 간섭에 의해 비대칭 단면을 갖는 초점 영역이 생성될 수 있다.
비대칭 단면이란 특히, 빔 및/또는 초점 영역의 직경이 x 방향 및 y 방향으로 서로 다른 직경을 가지며, 여기서 x 방향과 y 방향은 특히 서로 수직으로 배향되고 및/또는 빔 전파 방향에 대해 수직으로 배향된 평면에 놓이는 것을 의미한다.
초점 영역의 공간적 치수, 예를 들어 초점 영역의 길이 및/또는 직경을 결정하기 위해, 초점 영역은 특정 강도 임계값을 초과하는 강도값만 갖는 변형된 강도 분포에서 고려되며, 이 경우 강도 임계값은 특히 실제 강도 분포의 전체 강도 최대값의 50%이다. 초점 영역의 길이 또는 초점 영역의 직경이란, 변형된 강도 분포에 기초하여, 초점 영역의 종방향 중심축을 따라 또는 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에서 초점 영역의 최대 연장 길이 및/또는 최대 연장부의 길이를 의미한다.
특히, 초점 영역의 종방향 중심축은 만곡되어 있고 및/또는 연속해서 만곡되어 있고 및/또는 초점 영역의 전체 길이에 걸쳐 만곡되어 있다.
상기 과제는 또한 전술한 장치에서 본 발명에 따라, 상기 장치가 빔 성형 장치에 입사하는 입력 레이저 빔으로부터 초점 영역을 형성하기 위한 빔 성형 장치와 공작물의 재료 내로 초점 영역을 이미지화하기 위한 텔레스코프 장치를 포함하고, 상기 초점 영역이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축을 따라 연장되는 방식으로 상기 빔 성형 장치를 이용해서 입력 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 이루어지고, 상기 텔레스코프 장치에는 빔 성형 장치로부터 아웃 커플링된 부분 빔을 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태 중 각각 하나를 갖는 다수의 편광된 부분 빔으로 분할하기 위한 빔 분할 장치가 할당되고, 상기 텔레스코프 장치는 상기 빔 분할 장치와 함께 편광된 부분 빔을 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔으로부터 제 1 부분 초점 영역으로 그리고 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 부분 빔으로부터 제 2 부분 초점 영역으로 포커싱하도록 형성되어, 초점 영역은 적어도 부분적으로 제 1 부분 초점 영역과 제 2 부분 초점 영역의 공간적 중첩으로 형성되고, 초점 영역은 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에 비대칭 단면을 가짐으로써 해결된다.
본 발명의 변형예에서 초점 영역의 비대칭 단면은 빔 분할 장치에 의해 빔을 분할함으로써 실현된다. 따라서 초점 영역은 특히 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔과 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 부분 빔의 비간섭성 중첩 및/또는 겹침에 의해 형성된다.
원칙적으로, 빔 분할 장치에 의해 2개 이상의 서로 다른 편광 상태를 갖는 부분 빔이 형성되고 및/또는 초점 영역이 2개 이상의 서로 다른 부분 초점 영역으로 형성되는 것도 가능하다.
중첩이란 특히 적어도 부분적으로 공간적 중첩을 의미하며, 이는 특히 제 1 부분 초점 영역과 제 2 부분 초점 영역의 강도를 가산하는 데 이용된다.
서로 다른 편광 상태 갖는 부분 빔이란, 특히 선형 편광된 부분 빔을 의미하며, 특히 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔과 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 부분 빔의 편광 방향은 서로 90°의 각도로 정렬된다.
특히, 초점 영역은 적어도 부분적으로 제 1 부분 초점 영역과 제 2 부분 초점 영역의 공간적 강도 분포의 중첩으로 형성되는 것이 제공될 수 있다. 그 결과 비대칭 단면을 갖는 초점 영역이 기술적으로 간단하게 형성될 수 있다.
원칙적으로, 초점 영역은 완전히 제 1 부분 초점 영역과 제 2 부분 초점 영역의 공간적 중첩으로 형성되는 것도 가능하다.
제 1 부분 초점 영역이 제 1 종방향 중심축을 따라 연장되고 제 2 부분 초점 영역이 제 2 종방향 중심축을 따라 연장되는 경우, 바람직할 수 있고, 이 경우 제 1 종방향 중심축과 제 2 종방향 중심축은 각각 적어도 부분적으로 만곡된 형상을 갖는다. 결과적으로 만곡된 형상과 비대칭 단면을 갖는 초점 영역이 형성될 수 있다.
동일한 이유에서, 제 1 종방향 중심축과 제 2 종방향 중심축이 제 1 종방향 중심축 및/또는 제 2 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 방향으로 공간 오프셋을 갖는 경우, 바람직할 수 있다.
동일한 이유에서, 제 1 종방향 중심축과 제 2 종방향 중심축이 적어도 서로 거의 평행한 경우, 바람직할 수 있다.
특히, 제 1 부분 빔과 제 2 부분 빔이 서로 비간섭성이고 및/또는 제 1 부분 빔과 제 2 부분 빔이 서로 고정된 위상 관계를 갖지 않는 것이 제공될 수 있다. 따라서 초점 영역은 특히 제 1 부분 빔과 제 2 부분 빔의 비간섭성 중첩 및/또는 겹침에 의해 형성된다.
특히, 빔 분할 장치는 텔레스코프 장치의 원거리 영역에 배치되고 및/또는 빔 분할 장치는 적어도 거의 텔레스코프 장치의 초점면에 배치되는 것이 제공될 수 있다. 따라서 빔 분할 장치는 기술적으로 간단한 방식으로 텔레스코프 장치에 통합될 수 있다.
원거리 영역이란 특히 텔레스코프 장치의 광학 축을 중심으로 환형 강도 분포가 존재하는 텔레스코프 장치의 빔 경로 내의 영역을 의미한다.
특히, 텔레스코프 장치는 제 1 렌즈 소자 및 빔 전파 방향으로 제 1 렌즈 소자에 대해 이격된 제 2 렌즈 소자를 포함하고, 상기 빔 분할 장치는 제 1 렌즈 소자와 제 2 렌즈 소자 사이에 배치되고, 및/또는 상기 빔 분할 장치는 적어도 거의 제 1 렌즈 소자 및/또는 제 2 렌즈 소자의 초점면에 배치되는 것이 제공될 수 있다.
특히, 빔 분할 장치는 빔 분할 광학계, 특히 편광 빔 분할 광학계이거나 이를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 예를 들어, 빔 분할 광학계는 수정 결정으로 제조되거나 수정 결정을 포함한다.
예를 들어, 빔 분할 장치는 적어도 하나의 복굴절 소자와 특히 적어도 하나의 복굴절 웨지 소자를 포함한다.
빔 분할 장치는 복굴절 편광 소자를 포함하고, 빔 분할 장치로부터 아웃 커플링된 제 1 부분 빔과 제 2 부분 빔 사이에 공간 오프셋 및 각도 오프셋 모두 상기 편광 소자에 의해 발생되는 경우, 바람직할 수 있다.
특히, 빔 분할 장치는 등방성 소자 또는 추가 복굴절 편광 소자와 같은 추가 광학 소자를 포함하고, 상기 추가 광학 소자는 종방향으로 복굴절 편광 소자 뒤에 배치된다.
특히, 추가 광학 소자는 빔 분할 장치로부터 아웃 커플링된 제 1 부분 빔과 제 2 부분 빔 사이의 공간 오프셋 및/또는 각도 오프셋을 변경하도록 설계된다.
바람직하게 추가 광학 소자는, 제 1 부분 빔을 텔레스코프 장치의 광학 축에 대해 평행하게 정렬하도록 설정된다.
입사 빔이 빔 분할 장치에 의해 각각 서로 다른 편광 상태를 갖는 서로 상이한 부분 빔으로 분할되는 경우, 바람직할 수 있고, 이 경우 빔 분할 장치로부터 아웃 커플링된 서로 다른 편광 상태를 갖는 부분 빔들이 각도 오프셋을 갖는다. 각도 오프셋으로 인해 텔레스코프 장치에 의한 부분 빔의 이미지화 후에 서로 다른 편광 상태를 갖는 부분 빔들의 공간 오프셋이 야기된다.
특히, 빔 분할 장치로부터 아웃 커플링된 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔은 텔레스코프 장치의 광학 축에 대해 평행하게 배향되는 것이 제공될 수 있다. 그 결과 조정 과정이 감소한다.
본 발명에 따른 장치의 전술한 2개의 변형예는 특히 각각 계속해서 설명되는 하나 이상의 특징 및/또는 장점을 각각 갖는다.
특히, 초점 영역 및/또는 초점 영역에 할당된 중간 이미지는 빔 성형 장치로부터 아웃 커플링된 부분 빔들의 간섭에 의해 그리고 특히 부분적으로 보강 간섭에 의해 형성되는 것이 제공될 수 있다.
특히, 텔레스코프 장치는 제 1 렌즈 소자 및 빔 전파 방향으로 제 1 렌즈 소자에 대해 이격된 2 렌즈 소자를 가지며, 제 1 렌즈 소자에 의해 텔레스코프 장치 내로 빔의 인 커플링이 수행되고 및/또는 제 2 렌즈 소자에 의해 텔레스코프 장치로부터 빔의 아웃 커플링이 수행되는 것이 제공될 수 있다.
특히, 텔레스코프 장치는 제 1 렌즈 소자 및 빔 전파 방향으로 제 1 렌즈 소자에 대해 이격된 제 2 렌즈 소자를 갖고, 상기 제 1 렌즈 소자는 제 2 렌즈 소자보다 큰 초점 거리를 갖는 것이 제공될 수 있다.
실시예에서, 텔레스코프 장치의 제 1 렌즈 소자는 빔 성형 장치에 통합되거나 빔 성형 장치 상에 배치된다. 특히, 제 1 렌즈 소자의 기능이 빔 성형 장치에 통합된다.
특히, 초점 영역의 종방향 중심축은 적어도 부분적으로 최소 50㎛ 및/또는 최대 100mm의 곡률 반경을 갖고, 및/또는 초점 영역의 종방향 중심축은 최소 200㎛ 및/또는 최대 2mm의 평균 곡률 반경을 갖는 것이 제공될 수 있다.
예를 들어, 초점 영역 및/또는 초점 영역의 종방향 중심축은 U 형상 및/또는 C 형상 및/또는 쌍만곡된 형상을 갖는다.
특히, 초점 영역 및/또는 초점 영역의 종방향 중심축은 적어도 대략 원호 섹션을 따라 연장되는 것이 제공될 수 있다.
예를 들어, 원호 섹션의 중심각은 최소 1°및/또는 최대 90°이다.
예를 들어, 초점 영역 및/또는 초점 영역의 종방향 중심축은 적어도 부분적으로 사분원을 따라 연장된다.
특히, 초점 영역은 공간적으로 연결되어 형성되는 것이 제공될 수 있다. 특히, 제 1 부분 초점 영역 및/또는 제 2 부분 초점 영역은 공간적으로 연결되어 형성된다.
특히, 초점 영역 및/또는 초점 영역의 종방향 중심축은 연속적인 및/또는 구별 가능한 형상을 갖는다. 특히, 초점 영역 및/또는 종방향 중심축은 어떠한 불연속 지점 및/또는 어떠한 점프 불연속점도 갖지 않는다.
특히 초점 영역은 선형으로 및/또는 길게 연장되어 및/또는 길쭉하게 형성된다.
예를 들어, 초점 영역의 길이는 초점 영역의 최대 직경의 10배 이상, 특히 50배 이상이다.
특히, 초점 영역은 최소 50㎛ 및/또는 최대 20mm, 특히 최소 500㎛ 및/또는 최대 2mm의 길이를 갖는 것이 제공될 수 있다.
특히, 초점 영역의 최대 직경은 최소 500nm 및/또는 최대 5㎛인 것이 제공될 수 있다.
초점 영역의 최대 직경이 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에서 종방향 중심축을 따라 적어도 거의 일정한 경우에, 바람직할 수 있다. 결과적으로 초점 영역의 길이에 걸쳐 거의 균일한 재료 가공이 달성될 수 있다.
빔 성형 장치에 의해 준 비회절 및/또는 베셀형 빔이 생성될 수 있거나 생성되는 경우, 바람직할 수 있다. 이로 인해 특히 종방향으로 적어도 거의 일정한 횡방향 강도 분포를 갖는 초점 영역이 제공되며, 횡방향 강도 분포란 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에 있는 횡방향 강도 분포를 의미한다.
특히, 초점 영역은 준 비회절 및/또는 베셀형 빔 프로파일을 갖는다.
준 비회절 빔 및/또는 베셀형 빔이란 특히, 횡방향 강도 분포가 전파 불변인 빔을 의미한다. 특히, 준 비회절 빔 및/또는 베셀형 빔의 경우, 빔의 종방향 및/또는 빔 전파 방향을 따른 횡방향 강도 분포는 실질적으로 일정하다.
횡방향 강도 분포란, 빔의 종방향 및/또는 빔 전파 방향에 대해 수직으로 배향된 평면에 있는 강도 분포를 의미한다.
준 비회절 빔의 정의 및 속성과 관련하여 책 "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation"(M. Wordemann, Springer Science & Business Media(2012), ISBN 978-3-642-29322-1)이 참조된다.
곡선 형상을 갖는 준 비회절 및/또는 베셀형 빔의 형성 및 특성과 관련해서 과학 간행물 "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories"(I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 202년 12월 1일)이 참조된다.
비대칭 단면을 갖는 준 비회절 및/또는 베셀형 빔의 형성 및 특성과 관련해서 과학 간행물 "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" (K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics], 2019년 11월 8일)이 참조된다.
특히, 초점 영역은 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에서 타원형 단면을 갖는 것이 제공될 수 있다. 이로 인해 특히 공작물의 레이저 가공 시 군열 형성 및/또는 형성된 균열의 균열 배향이 제어될 수 있다.
동일한 이유로, 초점 영역의 단면 타원의 최대 직경은 가공 라인 및/또는 가공면을 형성하기 위해 공작물이 초점 영역에 대해 이동되는 피드 방향에 대해 적어도 거의 평행하게 정렬되는 경우, 바람직할 수 있다. 그 결과 레이저 가공 시 형성된 균열은 특히 피드 방향에 대해 적어도 거의 평행하게 배향된다.
특히, 빔 성형 장치에 의해 초점 영역의 중간 이미지가 형성되고, 상기 초점 영역은 텔레스코프 장치에 의해 중간 이미지를 이미지화함으로써 형성되는 것이 제공될 수 있다. 특히, 초점 영역의 길이는 텔레스코프 장치에 의해 용도에 따라 조정될 수 있다.
특히, 빔 성형 장치와 텔레스코프 장치로부터 빔을 아웃 커플링하기 위한 제 2 렌즈 소자 사이 및/또는 빔 성형 장치와 빔 성형 장치로부터 아웃 커플링된 부분 빔을 다수의 편광된 부분 빔으로 분할하기 위한 빔 분할 장치 사이에 빔 전파 방향으로 중간 이미지가 배치되는 것이 제공될 수 있다.
빔 성형 장치 및/또는 빔 분할 장치는 텔레스코프 장치의 광학 축에 대해 그리고 특히 텔레스코프 장치의 광학 축을 중심으로 회전 가능하게 배치된다. 그 결과 공작물에 대한 초점 영역의 정렬이 조정될 수 있다.
특히, 장치가 입력 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스를 포함하고, 레이저 소스에 의해 특히 펄스 레이저 빔 또는 초단 펄스 레이저 빔이 제공되는 것이 고려될 수 있다.
예를 들어, 입력 레이저 빔의 파장은 최대 300nm 및/또는 최대 1500nm이다. 예를 들어 파장은 515nm 또는 1030nm이다.
특히, 가공 빔은 적어도 1W 내지 1kW의 평균 출력을 갖는다. 예를 들어 가공 빔은 최소 10μJ 및/또는 최대 50mJ의 펄스 에너지를 갖는 펄스를 포함한다. 가공 빔은 개별 펄스 또는 버스트를 포함하고, 상기 버스트는 2 내지 20개의 서브펄스 및 특히 대략 20ns의 시간 간격을 갖는 것이 제공될 수 있다.
빔 성형 장치가 적어도 하나의 회절 광학 소자를 갖거나 회절 광학 소자로 설계되는 경우, 바람직할 수 있다.
원칙적으로, 빔 성형 장치가 굴절 및/또는 반사 광학 소자로 설계되는 것도 가능하다.
예를 들어, 빔 성형 장치는 액시콘과 유사한 소자이거나 이를 포함한다.
빔 성형 장치의 빔 출력측에서 아웃 커플링된 부분 빔의 위상 분포가 비대칭이고 및/또는 회전 대칭이 아닌 경우, 바람직할 수 있다. 특히, 위상 분포는 입력 레이저 빔의 빔 축에 대해 및/또는 빔 성형 장치의 광학 축에 대해 비대칭이고 및/또는 회전 대칭이 아니다. 그 결과, 초점 영역은 예를 들어 곡선 베셀형 빔 및/또는 가속 베셀형 빔으로서 생성될 수 있다.
장치가 빔 성형 장치에 입사하는 입력 레이저 빔의 직경을 제어하기 위한 추가 텔레스코프 장치를 포함하는 경우, 바람직할 수 있다. 이로 인해 초점 영역의 길이가 제어 및/또는 조절될 수 있다.
예를 들어, 추가 텔레스코프 장치는 빔 전파 방향으로 빔 성형 장치 앞에 배치된다.
본 발명에 따라 공작물을 레이저 가공하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법에서 빔 성형 장치에 의해 빔 성형 장치에 입사하는 입력 레이저 빔으로부터 초점 영역이 형성되고, 상기 초점 영역은 텔레스코프 장치에 의해 공작물의 재료 내로 이미지화되거나 이미지화될 수 있으며, 입력 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여는, 초점 영역이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축을 따라 연장되고 초점 영역이 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에서 비대칭 단면을 갖는 방식으로 빔 성형 장치를 이용해서 이루진다.
본 발명에 따라 공작물의 레이저 가공을 위한 추가 방법이 제공되며, 상기 방법에서 빔 성형 장치에 의해 빔 성형 장치에 입사하는 입력 레이저 빔으로부터 초점 영역이 형성되고, 상기 초점 영역은 텔레스코프 장치에 의해 공작물의 재료 내로 이미지화되거나 이미지화될 수 있으며, 초점 영역이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축을 따라 연장되는 방식으로 빔 성형 장치를 이용해서 입력 레이저 빔의 빔 단면에 위상 부여가 이루어지고, 빔 성형 장치로부터 아웃 커플링된 부분 빔은 텔레스코프 장치에 할당된 빔 분할 장치에 의해 각각 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태를 갖는 다수의 편광된 부분 빔으로 분할되고, 편광된 부분 빔은 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔으로부터 제 1 부분 초점 영역으로 포커싱되고 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 부분 빔으로부터 제 2 부분 초점 영역으로 포커싱되어, 초점 영역은 적어도 부분적으로 제 1 부분 초점 영역과 제 2 부분 초점 영역의 공간적 중첩으로 형성되고, 초점 영역은 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 평면에서 비대칭 단면을 갖는다.
본 발명에 따른 방법은 특히 전술한 본 발명에 따른 장치의 하나 이상의 특징 및/또는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 구성은 본 발명에 따른 장치와 관련하여 이미 설명되었다.
특히, 공작물은 입력 레이저 빔 및/또는 입력 레이저 빔으로부터 형성된 초점 영역의 파장에 대해 투과성인 재료로 제조되고 및/또는 구성되는 것이 제공될 수 있다. 공작물의 재료는 예를 들어 유리이거나 유리를 포함한다.
투과성 재료란 특히 가공 빔의 레이저 에너지의 적어도 70%, 특히 적어도 80% 그리고 특히 적어도 90%가 투과되는 재료를 의미한다.
특히, 레이저 가공을 수행하기 위해 가공에 초점 영역이 적용되고, 특히 공작물이 가공 라인 또는 가공면을 따라 초점 영역에 대해 이동되는 것이 제공될 수 있다. 이로 인해 공작물 내에 가공 라인 또는 가공면을 따라 배치된 재료 변형이 형성될 수 있다.
특히, 공작물은 가공 라인 및/또는 가공면을 따라 레이저 가공의 수행 후에 분리될 수 있거나 분리되는 것이 제공될 수 있다.
열 노출 및/또는 기계적 응력을 가함으로써 및/또는 적어도 하나의 습식 화학 용액을 사용해서 에칭함으로써 가공 라인 및/또는 가공면을 따라 공작물의 재료가 분리될 수 있거나 분리되는 경우, 바람직할 수 있다.
특히, 입력 레이저 빔은 펄스 레이저 빔 또는 초단 펄스 레이저 빔이고, 및/또는 초점 영역은 펄스 레이저 빔 또는 초단 펄스 레이저 빔에 의해 형성되는 것이 제공될 수 있다.
특히, 초점 영역에 대해 공작물을 이동 및/또는 기울이기 위한 축 시스템이 제공된다.
입력 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스를 제어하기 위해, 특히 주문형 펄스(puls on demand)를 포함하는 공간 분해능 방식의 펄스 제어를 위한 제어 전자장치가 제공될 수 있다.
특히 비반사 및/또는 강하게 산란하는 표면을 갖는 공작물을 위해 특히 공작물 홀더가 제공된다.
달리 명시되지 않는 한, 초점 영역의 전술한 속성은 기본적으로 공기 중 초점 영역의 속성 및/또는 공작물 외부의 초점 영역 속성과 관련된다.
특히 "대략" 및 "적어도 거의"라는 표현은 일반적으로 최대 10%의 편차를 의미한다. 달리 명시되지 않는 한 "대략" 및 "적어도 거의"라는 표현은, 특히 실제 값 및/또는 거리 및/또는 각도가 이상적인 값 및/또는 거리 및/또는 각도와 최대 10%의 편차를 갖는 것을 의미한다.
바람직한 실시예의 하기 설명은 도면과 관련해서 본 발명을 보다 상세하게 설명하는 데 이용된다.
도 1은 2개의 서로 다른 변형예가 표시된, 공작물의 레이저 가공을 위한 장치의 실시예의 개략적인 단면도.
도 2는 2개의 서로 다른 변형예가 표시된, 공작물의 레이저 가공을 위한 장치의 추가 실시예의 부분 영역의 개략적인 단면도.
도 3은 장치의 빔 성형 장치의 제 1 실시예의 빔 출력 측의 부분 빔의 위상 분포의 개략도.
도 4는 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 평행하게 배향된 z-x 평면에서 곡선을 코스를 갖는 초점 영역의 시뮬레이션된 강도 분포를 도시한 도면.
도 5는 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 x-y 평면에서 초점 영역의 강도 분포의 시뮬레이션된 단면도.
도 6은 장치의 빔 성형 장치의 추가 실시예의 빔 출력 측에서의 부분 빔의 위상 분포의 개략도.
도 7은 빔 분할 장치의 제 1 실시예의 개략적인 단면도.
도 8은 빔 분할 장치의 추가 실시예의 개략적인 단면도.
도 9a는 제 1 부분 초점 영역과 제 2 부분 초점 영역의 공간적 중첩으로 형성되는 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 평행한 단면의 초점 영역의 개략도.
도 9b는 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 x-y 평면에서 도 9a에 따른 초점 영역의 개략적인 단면도.
도 10a는 초점 영역의 종방향 중심축에 대해 수직으로 배향된 x-y 평면에서 초점 영역의 강도 분포의 개략적인 단면도.
도 10b는 y=0일 때 x-방향으로 도 10a에 따른 초점 영역의 강도 분포를 도시한 도면.
도 10c는 x=0일 때 y-방향으로 도 10a에 따른 초점 영역의 강도 분포를 도시한 도면.
도 11은 가공 라인 및/또는 가공면을 따라 초점 영역에 의해 가공되는 공작물의 개략적인 단면도.
도 12a는 가공 라인 및/또는 가공면을 따라 서로 다른 2개의 세그먼트로 분리된 공작물의 예의 사시도.
도 12b는 가공 라인 및/또는 가공면을 따라 서로 다른 2개의 세그먼트로 분리되는 공작물의 추가 예의 사시도.
도 13은 서로 이격된 변형 영역 사이에 균열이 형성되는, 가공 라인 및/또는 가공면 상의 공작물의 부분 영역의 개략적인 단면도.
동일하거나 기능적으로 동일한 요소들은 모든 실시예에서 동일한 도면부호로 표시된다.
공작물의 레이저 가공을 위한 장치의 제 1 실시예가 도 1에 도시되고 거기에서 10으로 표시된다. 장치(10)에 의해, 예를 들어 서브마이크로미터(submicrometer) 범위 또는 원자 범위의 결함과 같은 재료 약화를 야기하는 공작국부적인 재료 변형이 공작물에 생성될 수 있다. 이로 인해 공작물은 예를 들어 후속 단계에서 2개의 서로 다른 다른 세그먼트로 분리될 수 있다.
특히, 장치(10)는 입력 레이저 빔(14)을 제공하기 위한 레이저 소스(12)를 포함한다. 입력 레이저 빔(14)은 특히 펄스 레이저 빔 및/또는 초단 펄스 레이저 빔이다. 예를 들어, 입력 레이저 빔(14)은 가우시안 빔이고 및/또는 회절 빔 프로파일을 갖는다.
장치(10)는 입력 레이저 빔(14)이 인 커플링될 수 있는 빔 성형 장치(16)를 포함한다. 특히, 입력 레이저 빔(14)은 장치(10)의 작동 상태에서 빔 성형 장치(16)에 인 커플링 된다.
입력 레이저 빔(14)은 종방향(z)을 따라 전파된다. 특히, 종방향(z)이란 입력 레이저 빔(14)의 및/또는 입력 레이저 빔(14)으로부터 형성되어 장치(10)를 통과하는 빔의 주요 빔 전파 방향을 의미한다.
입력 레이저 빔(14)의 파장은 예를 들어 515nm 또는 1030nm이다.
길게 연장된 초점 영역(18)을 생성하기 위해 빔 성형 장치(16)에 의해 입력 레이저 빔(14)의 빔 단면에 위상 부여가 이루어진다. 이러한 빔 단면의 단면 방향은 종방향(z) 및/또는 빔 전파 방향에 대해 수직으로 배향된다.
입력 레이저 빔(14)은 빔 입력측(20)에서 빔 성형 장치(16)에 부딪혀서 상기 빔 성형 장치 내로 인 커플링된다. 위상 변조된 부분 빔(24)이 빔 입력측(20) 반대편의 빔 출력 측(22)에서 빔 성형 장치(16)로부터 아웃 커플링된다.
빔 성형 장치(16)로부터 아웃 커플링된 부분 빔(24)은 서로 간섭성인 부분 빔이고, 즉 서로 상이한 부분 빔(24)은 서로 고정된 위상 관계를 갖는다.
또한, 빔 성형 장치(16)에서 나오는 부분 빔(24)은 빔 성형 장치(16)에 입사하는 입력 레이저 빔(14)에 대해 및/또는 빔 성형 장치(16)의 광학 축(25)에 대해 원추각(β1)으로 기울어져 있다. 특히, 부분 빔(24)은 원추형 경로 및/또는 원추형 엔벨로프(envelope)를 갖는다.
부분 빔(24)의 간섭에 의해 초점 영역(18)에 관련된 중간 이미지(26)가 형성되고, 상기 중간 이미지는 종방향(z)으로 빔 성형 장치(16) 뒤에 배치된다. 초점 영역(18) 및/또는 초점 영역(18)의 중간 이미지(26)는 길게 연장된 및/또는 길쭉한 형상을 갖는다.
특히 중간 이미지(26) 및/또는 초점 영역(18)은 종방향(z)으로 정렬된다. 예를 들어, 중간 이미지(26) 및/또는 초점 영역(18)의 주 연장 방향은 종방향(z)으로 배향되고 및/또는 광학 축(25)에 대해 평행하게 배향된다.
중간 이미지(26)는 종방향 중심축(27)을 따라 연장된다(도 1에 점선으로 표시됨). 종방향 중심축(27)은 이 경우 특히 종방향의 중간 이미지(26)의 대칭축이다.
제 1 빔 성형 장치(16)는 특히 회절 광학 소자로서 설계된다. 예를 들어, 제 1 빔 성형 장치는 액시콘과 유사한 소자로서 설계된다.
빔 성형 장치(16)에 의해 부분 빔(24)에 부여되는 위상 코스는 특히, 중간 이미지(26) 및/또는 초점 영역(18)이 준 비회절 및/또는 베셀형 빔 프로파일을 갖는 방식이다.
또한, 부분 빔(24)에 부여된 위상 코스는, 중간 이미지(26) 및/또는 초점 영역(18)이 만곡된 형상을 갖는 방식이다. 따라서, 중간 이미지(26)가 연장되는 종방향 중심축(27)은 만곡된 형상을 갖는다.
빔 성형 장치(16)에 의해 부분 빔(24)에 부여된 위상 분포의 예는 도 3에 도시되어 있다. 빔 출력 측(22)에 빔 성형 장치(16)에서 나오는 부분 빔(24)의 2차원 위상 분포는 도 3에 그레이 스케일(gray scale)로 표시되며, 이 경우 관련 그레이 스케일은 흰색(위상 +Pi)부터 검은색(위상 -Pi)에 이른다.
빔 출력측(22) 및/또는 도시된 위상 분포는 종방향(z)을 가로질러, 그리고 특히 수직으로 배향된 평면에 놓인다.
빔 출력측(22)에 빔 성형 장치(16)에서 나오는 각 부분 빔(24)의 공간 위치(XI, Y1)에 -Pi 내지 +Pi의 값 범위의 특정 위상 편이값이 할당되며, 상기 편이값은 도 3에 따른 예에서 거기에 도시된 위상 분포에 의해 알 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 빔 출력측(22)에서 위상 분포는 비대칭인, 특히 회전 대칭이 아닌 코스를 갖는다. 따라서 이러한 위상 코스가 부분 빔(24)에 부여되어, 부분 빔(24)의 간섭에 의해 만곡된 경로를 갖는 초점 영역이 형성된다. 그 결과, 중간 이미지(26) 및/또는 초점 영역(18)은 만곡된 경로를 갖는다.
또한, 도 3에 도시된 위상 분포는 서로 인접하는 2개의 부분 영역(30a, 30b) 사이의 위상 코스가 불연속인 하나 이상의 점프 불연속점(28)을 갖는다. 예를 들어, 서로 인접하는 부분 영역(30a, 30b) 사이의 위상 변이 및/또는 위상 점프는 Pi의 값을 갖는다.
점프 불연속점(28)이란 제 1 부분 영역(30a)과 제 1 부분 영역(30a)에 인접하는 제 2 부분 영역(30b) 사이의 분리 지점 및/또는 분리선을 의미한다.
특히, 제 1 부분 영역(30a)의 점프 불연속점(28)에 위치한 제 1 경계점(32a)과 제 2 부분 영역(30b)의 점프 불연속점(28)에 위치한 제 2 경계점(32b) 사이의 위상차는 Pi이다.
특히, 서로 인접하는 부분 영역(30a, 30b)은 각각 국부적으로 연속하는 부분 영역이다.
불연속적인 및/또는 위상 점프가 있는 위상 분포로 인해 빔 성형 장치(16)에 의해 부분 빔(24)에 부여된 위상 코스는, 중간 이미지(26) 및/또는 초점 영역(18)이 비대칭 빔 단면을 갖는 방식이다. 중간 이미지(26)와 관련하여, 빔 단면의 단면 평면은 종방향 중심축(27)에 대해 수직으로 배향된다.
장치(10)는 빔 전파 방향으로 및/또는 종방향(z)으로 중간 이미지(26) 뒤에 배치되는 텔레스코프 장치(34)를 포함한다. 이러한 텔레스코프 장치(34)에 의해 초점 영역(18)은 중간 이미지(26)의 이미지화를 통해 형성되며, 이 경우 텔레스코프 장치(34)에 의해 특히 축소된 이미지화가 이루어진다.
텔레스코프 장치(34)는 제 1 렌즈 소자(36)와 제 1 렌즈 소자(36)에 대해 종방향(z)으로 이격된 제 2 렌즈 소자(38)를 포함한다.
제 1 렌즈 소자(36)는 텔레스코프 장치(34)의 장초점 렌즈 소자 및/또는 입력 렌즈 소자이다. 제 2 렌즈 소자(38)는 텔레스코프 장치(34)의 출력 렌즈 소자 및/또는 단초점 렌즈 소자이다. 제 2 렌즈 소자(38)는 특히 대물렌즈로서 설계되거나 대물렌즈의 기능을 갖는다.
제 1 렌즈 소자(36) 및/또는 제 2 렌즈 소자(38)는 반드시 일체형으로 설계되지 않아도 된다. 특히, 제 1 렌즈 소자(36) 및/또는 제 2 렌즈 소자(38)는 각각 다수의 광학 부품으로 형성되거나 다수의 광학 부품을 포함하는 것이 제공될 수 있다.
제 1 렌즈 소자(36)의 제 1 초점 거리(f1)는 제 2 렌즈 소자(38)의 제 2 초점 거리(f2)보다 크다. 특히, f1/f2의 비율은 최소 5 및/또는 최대 50이다.
텔레스코프 장치(34)에 의해 초점 영역(18)은 가공할 공작물 내로 조사되고 및/또는 이미지화될 수 있다. 특히, 텔레스코프 장치(34)에 의해 초점 영역(18)의 공간 치수가 공작물의 가공을 위해 조정될 수 있다.
특히, 초점 영역(18)이란 적어도 거의 일정한 강도의 포커싱된 영역을 의미하며, 상기 영역은 종방향 중심축(40)을 따라 연장된다(도 1에서 점선으로 표시됨). 종방향 중심축(40)은 이 경우 특히 종방향의 초점 영역(18)의 대칭축이다.
특히, 초점 영역(18)은 적어도 거의 일정한 강도를 갖는 종방향 중심축(40)을 따라 연장되는 포커싱된 영역을 포함한다.
특히, 초점 영역(18)은 공간적으로 연결되어 형성되며, 즉 초점 영역(18)의 포커싱된 강도 영역은 각각 공간적으로 연결되어 형성된다.
그러나 원칙적으로, 초점 영역(18)의 강도는 종방향 중심축을 따라 달라지고 및/또는 어떤 곳에서는 0인 것도 가능하다.
특히, 초점 영역(18)이란, 레이저 방사의 강도가 적어도, 공작물의 재료에 초점 영역(18)이 적용될 때 재료 내에 변형된 영역이 생성되기에 충분한 크기인 포커싱된 영역을 의미한다. 특히, 이러한 변형된 영역에서 재료가 분리될 수 있다.
초점 영역(18)의 종방향 중심축(40)은 적어도 부분적으로 및/또는 전체적으로 만곡된 형상을 갖는다.
초점 영역(18)의 실시예가 도 4에 도시되며, 여기에는 종방향 중심축(40)에 대해 평행하게 배향된 z-x 평면의 강도 분포가 도시되어 있다. 밝은 그레이 스케일 값은 더 큰 강도를 나타낸다. 도 4에 따른 실시예에서, 초점 영역(18)은 아치형 및/또는 C 형상을 갖는다.
초점 영역(18)이란, 특히 공간적으로 연결되어 형성된 전역 최대 강도 분포(42)를 의미한다. 특히, 이러한 전역 최대 강도 분포(42)만이 변형의 형성을 위해 가공할 재료와의 상호 작용과 관련된다.
최대 강도 분포(42)는 특히 인접한 강도 분포(44)에 의해 둘러싸여 있다. 이러한 인접한 강도 분포(44)는 특히 최대 강도 분포(42) 주위에 배치되고 및/또는 최대 강도 분포(42)에 대해 이격되어 배치된다. 인접한 강도 분포(44)는 특히 보조 최대값이거나 보조 최대값을 포함한다.
특히, 인접한 강도 분포(44)는 공작물의 레이저 가공에 있어서 중요하지 않은데, 그 이유는 더 낮은 강도로 인해 공작물의 재료에 변형이 발생하지 않고 및/또는 무시할 정도로 형성되기 때문이다.
초점 영역(18)은 비대칭 빔 단면을 갖고, 이 경우 단면 방향은 종방향 중심축(40)에 대해 수직으로 배향된다. 도 5에는 종방향 중심축(40)에 대해 수직으로 배향된 x-y 평면에서 초점 영역(18)의 예가 도시된다.
특히, 초점 영역(18)은 x 방향의 직경(dx)과 x 방향에 대해 수직으로 배향된 y 방향의 직경(dy)을 가지며, x 방향과 y 방향은 종방향 중심축(40)에 대해 수직인 평면에 놓인다.
특히, 초점 영역(18)은 타원형 빔 단면을 갖는 것이 제공될 수 있다. 이러한 경우에 dx와 dy는 서로 다르다. 예를 들어, dx는 관련된 타원의 큰 절반축에 대해 평행하게 배향되고, dy는 작은 절반축에 대해 평행하게 배향된다.
장치(10)의 제 2 변형예에서는, 전술한 제 1 변형예와 달리 빔 성형 장치(16')에 의해 초점 영역(18)에 관련된 중간 이미지(26')가 형성되고, 상기 중간 이미지는 적어도 거의 대칭인 빔 단면을 갖는다.
빔 성형 장치(16') 또는 중간 이미지(26')는 특히 전술한 빔 성형 장치(16) 또는 전술한 중간 이미지(26)의 하나 이상의 특징 및/또는 장점을 갖는다.
중간 이미지(26')는 종방향 중심축(27)을 따라 연장되며, 특히 준 비회절 및/또는 베셀형 빔 프로파일을 갖는다.
빔 출력 측(22)에 빔 성형 장치(16')에서 나오는 부분 빔(24)은 전술한 빔 성형 장치(16)와 다른 위상 분포를 갖는다.
빔 성형 장치(16')에 의해 부분 빔(24)에 부여된 위상 분포의 예는 도 6에 그레이 스케일 분포의 형태로 (도 3과 유사하게) 도시되어 있다. 빔 출력 측(22)의 위상 분포는 비대칭인, 특히 회전 대칭이 아닌 코스를 갖는다. 따라서 이러한 위상 코스가 부분 빔(24)에 부여되어, 부분 빔(24)의 간섭에 의해 만곡된 경로를 갖는 초점 영역이 형성된다. 그 결과 중간 이미지(26') 및/또는 초점 영역(18)은 만곡된 경로를 갖는다.
특히, 도 6에 도시된 위상 분포는 연속적이며, 특히 전체적으로 연속적이다. 특히, 도 6에 도시된 위상 분포는 점프 불연속점 및/또는 불연속 지점을 갖지 않는다. 따라서 이러한 위상 코스가 부분 빔(24)에 부여되어, 부분 빔(24)의 간섭에 의해 대칭 빔 단면을 갖는 초점 영역이 형성된다. 그 결과 중간 이미지(26')는 대칭 빔 단면을 가지며, 이 경우 단면 방향은 종방향 중심축(27)에 대해 수직으로 배향된다.
초점 영역(18)의 비대칭 빔 단면을 실현하기 위해, 장치(10)는 이러한 제 2 변형예에서 텔레스코프 장치(34)에 할당된 빔 분할 장치(46; 도 1에서 점선으로 표시됨)를 포함한다. 예를 들어, 빔 분할 장치(46)는 텔레스코프 장치(34)의 부분이고 및/또는 텔레스코프 장치(34)의 빔 경로에 배치된다. 예를 들어, 빔 분할 장치(46)는 편광 빔 분할 광학계이거나 이를 포함한다.
빔 분할 장치(46)는 특히 원거리 영역(48)에 및/또는 텔레스코프 장치(34)의 초점면(50)에 배치된다. 예를 들어, 초점면(50)은 제 1 렌즈 소자(36) 및/또는 제 2 렌즈 소자(38)의 초점면이다.
빔 성형 장치(16')로부터 아웃 커플링된 부분 빔(24) 및/또는 중간 이미지(26')로부터 시작되는 빔은 입사 빔(52)으로서 빔 분할 장치(46)에 부딪힌다. 빔 분할 장치(46)에 의해 이러한 입사 빔(52)은 각각 서로 다른 편광 상태를 갖는 서로 상이한 부분 빔(54a, 54b)으로 분할된다.
빔 분할 장치(46)의 도 7에 도시된 예에서 입사 빔(52)은 빔 분할 장치(56)에 의해 각각 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔(54a)과 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 부분 빔(54b)으로 분할된다.
제 1 편광 상태 및 제 2 편광 상태는 특히 서로 수직으로 배향된 편광 상태 및/또는 선형 편광 상태이다. 특히, 제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b)은, 전기장이 종방향(z) 및/또는 빔 전파 방향에 대해 수직인 평면에 놓이도록 (횡전기적으로) 편광된다.
제 1 부분 빔(54a)은 제 2 부분 빔(54b)에 대해 공간 오프셋(Δx) 및 각도 오프셋(Δα)을 갖는다.
특히, 제 1 부분 빔(54a)은 텔레스코프 장치(34)의 광학 축(56)에 대해 적어도 거의 평행하게 배향되며, 상기 광학 축(56)은 예를 들어 빔 성형 장치(16, 16')의 광학 축(25)에 대해 평행하게 배향되거나 이 축과 일치한다.
빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 제 1 부분 빔(54a)은 텔레스코프 장치(34)에 의해 및/또는 제 2 렌즈 소자(38)에 의해 제 1 부분 초점 영역(58a) 내로 이미지화된다. 따라서 빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 제 2 부분 빔(54b)은 텔레스코프 장치(34)에 의해 및/또는 제 2 렌즈 소자(38)에 의해 제 2 부분 초점 영역(58b) 내로 이미지화된다(도 9a 및 도 9b).
제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b)의 각도 오프셋으로 인해, 텔레스코프 장치(34)를 이용한 포커싱 후 제 1 부분 초점 영역(58a)과 제 2 부분 초점 영역(58b) 사이에 공간 오프셋(Δb)이 종방향 중심축(40)에 대해 수직으로 배향된 방향으로 발생된다.
제 1 부분 초점 영역(58a)은 제 1 종방향 중심축(60a)을 따라 연장되고, 제 2 부분 초점 영역(58b)은 제 2 종방향 중심축(60b)을 따라 연장된다. 제 1 종방향 중심축(60a)과 제 2 종방향 중심축(60b)은 종방향으로(z) 및/또는 빔 전파 방향으로 연장된다.
특히, 제 1 부분 초점 영역(58a)과 제 2 부분 초점 영역(58b)은 각각 적어도 거의 대칭 빔 단면을 가지며, 이 경우 단면 방향은 제 1 종방향 중심축(60a) 및 제 2 종방향 중심축(60b)에 대해 수직으로 배향된다.
초점 영역(18)은 제 1 부분 초점 영역(58a)과 제 2 부분 초점 영역(58b)이 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩함으로써 및/또는 겹침으로써 형성된다. 이렇게 형성된 초점 영역(18)의 빔 단면은 비대칭이며, 특히 타원형이다(도 9a 및 도 9b 참조).
제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b)은 서로 비간섭성인 부분 빔이고 및/또는 서로 고정된 위상 관계를 갖지 않으므로, 제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b)은 특히 간섭하지 않는다. 제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b)의 공간적인 중첩의 경우, 따라서 제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b)의 각 강도의 가산이 이루어진다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 예에서, 제 1 종방향 중심축(60a)은 제 2 종방향 중심축(60b)에 대해 적어도 거의 평행하게 배향된다. 초점 영역(18)의 종방향 중심 축(40)은 제 1 종방향 중심축(60a) 및 제 2 종방향 중심축(60b)에 대해 대칭으로 및/또는 중앙에 놓인다.
도 7에 도시된 예에서, 빔 분할 장치(46)는 복굴절 편광 소자(62)를 포함한다. 복굴절 편광 소자(62)에 의해 제 1 부분 빔(54a)과 제 2 부분 빔(54b) 사이에 공간 오프셋(Δx) 및 각도 오프셋(Δα)이 모두 발생된다.
이러한 복굴절 편광 소자(62)에 빔 분할 장치(46)의 빔 입력면 및/또는 빔 입력측(64)이 형성된다.
복굴절 편광 소자(62)의 광학 축(66)은 텔레스코프 장치(34)의 광학 축(56) 및/또는 빔 입력측(64)에 대해 예를 들어 45°의 각도로 배향된다.
또한, 빔 분할 장치(46)는 등방성 소자(68)를 포함하며, 상기 등방성 소자는 종방향(z)으로 복굴절 편광 소자(62) 뒤에 배치된다. 이러한 등방성 소자(68)에 의해, 제 1 부분 빔(54a)은 광학 축(56)에 대해 평행하게 정렬된다.
복굴절 편광 소자(62) 및/또는 등방성 소자(68)는 예를 들어 웨지형으로 형성된다.
도 8에 도시된 다른 실시예는, 제 1 부분 빔(54a)이 텔레스코프 장치(34)의 광학 축(56)에 대해 평행하게 배향되고 이 광학 축(56)에 놓인다는 점에서 도 7에 따른 실시예와 실질적로 다르다.
제 1 부분 빔(54a)을 광학 축(56)에 대해 평행하게 정렬하고 광학 축(56)에 위치 설정하기 위해 도 8에 따른 실시예는 차례로 배치된 2개의 복굴절 편광소자(62)를 포함한다.
그 밖에는 도 8에 따른 실시예는 기본적으로 도 7에 따른 실시예와 동일한 구조 및/또는 동일한 기능을 가지므로, 그러한 점에서 전술한 설명이 참조될 수 있다.
빔 분할 장치(46)의 기능 및 설계와 관련하여, 동일한 출원인의 파일 번호 10 2020 207 715.0(출원일: 2020년 6월 22일)의 독일 특허 출원이 참조된다. 이에 대해 명시적으로 전체 내용이 참조된다.
공작물의 레이저 가공을 위한 장치(10')의 다른 실시예(도 2)는, 텔레스코프 장치(34')의 대안적인 변형예가 제공되는 점에서 전술한 실시예와 실질적으로 다르다.
텔레스코프 장치(34')에서, 제 1 렌즈 소자(36)는 빔 성형 장치(16, 16')에 통합되거나 빔 성형 장치의 빔 출력측(22)에 배치된다. 이로 인해 장치(10')는 특히 컴팩트한 방식으로 및/또는 감소한 개수의 개별 구성부로 설계될 수 있다.
예를 들어, 제 1 렌즈 소자(36)의 기능은 빔 성형 장치(16, 16')에 통합된다.
장치(10')에 형성되며 초점 영역(18)에 할당된 중간 이미지(68)는 반드시 전술한 중간 이미지(26, 26')의 특성을 갖는 것은 아니다. 중간 이미지(68)는 중간 이미지(26, 26')와 비교하여 빔 코스의 변경으로 인해 다르게 형성된다. 특히, 중간 이미지(68)는 중간 이미지(26, 26') 및/또는 초점 영역(18)과 비교하여 다른 형상을 갖는다.
그 밖에 장치(10')는 기본적으로 장치(10)의 전술한 변형예들과 동일한 구조 및 동일한 기능을 가지므로, 이러한 점에서 그것의 설명이 참조된다.
종방향 중심축(40)의 방향으로 초점 영역(18)의 길이(I) 및/또는 종방향 중심축(27)에 대해 수직으로 배향된 x 방향 또는 y 방향으로 직경(dx, dy)을 결정하기 위해, 특정 강도 임계값을 초과하는 강도값만을 갖는 변형된 강도 분포가 고려되며, 상기 강도 임계값은 특히 실제 강도 분포의 전체 강도 최대값의 50%이다. 이는 도 10a, 도 10b 및 도 10c에 초점 영역(18)의 직경(dx, dy)에 대해 개략적으로 도시된다.
초점 영역(18)의 길이(l)란, 예를 들어 변경된 강도 분포에 기초하여 종방향 중심축(40)을 따른 초점 영역(18)의 최대 연장 길이 및/또는 최대 연장부의 길이를 의미한다. 도 9a에 도시된 예에서 길이(l)는 예를 들어, 초점 영역(18)의 대응하는 곡선 길이 및/또는 아치 길이 및/또는 원호 길이이다.
장치(10)는 레이저 소스(12)와 빔 성형 장치(16, 16') 사이에 종방향(z)으로 배치되는 추가 텔레스코프 장치(69)를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 이러한 추가 텔레스코프 장치(69)에 의해, 빔 성형 장치(16, 16')에 입사하는 입력 레이저 빔(14)의 직경(d0)이 제어 및/또는 조절될 수 있다.
직경(d0)을 제어 및/또는 조절함으로써, 초점 영역의 길이(l) 및/또는 초점 영역(18)의 중간 이미지(26, 26')의 길이가 제어 및/또는 조절될 수 있다. 길이(l)는 직경(d0)이 증가함에 따라 증가한다.
본 발명에 따른 장치(10, 10')는 다음과 같이 기능한다:
장치(10, 10')에 의해 공작물(70)에서 가공 작업을 수행하기 위해 공작물(70)의 재료(72)에 초점 영역(18)이 적용되고 초점 영역(18)은 재료(72)에 대해 이동된다.
특히, 재료(72)는 입력 레이저 빔(14) 및/또는 입력 레이저 빔(14)으로부터 형성된 초점 영역(18)의 파장에 대해 투과성 또는 부분 투과성 재료이다. 예를 들어, 재료(72)는 유리 재료이다.
초점 영역(18)은 특히 미리 규정된 가공 라인(74) 및/또는 가공면을 따라 이동한다(도 11, 도 12a 및 도 12b). 가공 라인(74)은 예를 들어 직선 및/또는 곡선 섹션을 가질 수 있다.
재료(72)에 초점 영역(18)을 적용함으로써, 가공 라인(74) 및/또는 가공 표면에서 상기 재료(72)에 국부적인 재료 변형이 형성되고, 상기 재료 변형에 의해 가공 라인(74) 및/또는 가공면에서 재료(72)의 강도가 감소한다.
이로써, 가공 라인(74) 및/또는 가공면 상에 재료 변형이 형성된 후에 재료(72)는, 예를 들어 기계적 힘을 가하여 2개의 서로 다른 세그먼트로 분리될 수 있다.
도 11, 도 12a 및 도 12b에, 예를 들어 제 1 외부면(76)으로부터 제 1 외부면(76)에 대향되는 제 2 외부면(78)으로 연장되는 초점 영역(18a)의 제 1 변형에 의한 재료(72)의 가공이 도시되며, 상기 제 1 외부면(76)은 제 2 외부면(78)에 대해 재료(72)의 재료 두께(D)만큼 이격되어 있다. 도시된 예에서, 제 1 초점 영역(18a)은 적어도 전체 재료 두께(D)에 걸쳐 연장된다. 따라서, 예를 들어 전체 재료 두께(D)에 걸쳐 연장되는 세그먼트(80)가 재료(72)로부터 분리될 수 있다.
초점 영역(18b)의 제 2 변형부는 재료(72)를 통해 부분적으로 연장된다. 이로 인해 예를 들어, 1/4 원 프로파일을 갖는 세그먼트(82)가 재료(72)로부터 분리될 수 있다(도 12b). 초점 영역(18b)에 의해, 예를 들어 재료(72)의 에지(84)가 라운드 처리될 수 있다.
재료(72)에 대한 초점 영역(18)의 피드 방향(86)은 가공 라인(74)에 대해 평행하게 배향된다.
도 13에는, 재료(72)에 대한 초점 영역(18)의 이동에 의해 형성되는 다수의 변형 영역(88)이 도시된다. 특히, 초점 영역(18)의 단면은, 단면의 더 긴 축이 피드 방향(86)에 대해 적어도 거의 평행하게 배향되고 및/또는 단면의 짧은 축은 피드 방향(86)에 대해 가로로 및 특히 수직으로 배향되도록 정렬된다.
도 13에 도시된 예에서 초점 영역(18)은 타원형 단면을 갖는다. 더 큰 절반축 및/또는 더 큰 직경(dy)은 피드 방향(86)에 대해 적어도 거의 평행하게 배향된다.
이로 인해 서로 인접한 변형 영역(88) 사이에 특히 제어된 방식으로 균열(90)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 재료(72)의 최적화된 분리가 실현될 수 있다.
균열(90)은 특히 서로 인접한 변형 영역(88) 사이의 최단 연결 라인에 대해 적어도 거의 평행하게 배향된다.
β1 원추각
Δx 공간 오프셋
Δb 공간 오프셋
Δα 각도 오프셋
dx x 방향 직경
dy y 방향 직경
d0 직경
D 재료 두께
l 길이
z 종방향
10, 10' 장치
12 레이저 소스
14 입력 레이저 빔
16, 16' 빔 성형 장치
18 초점 영역
18a, 18b 초점 영역
20 빔 입력측
22 빔 출력측
24 부분 빔
25 광학 축
26, 26' 중간 이미지
27 종방향 중심축
28 점프 불연속점
30a 제 1 부분 영역
30b 제 2 부분 영역
32a 제 1 경계점
32b 제 2 경계점
34, 34' 텔레스코프 장치
36 제 1 렌즈 소자
38 제 2 렌즈 소자
40 종방향 중심축
42 전역 최대 강도 분포
44 인접한 강도 분포
46 빔 분할 장치
48 원거리 영역
50 초점면
52 입사 빔
54a 제 1 부분 빔
54b 제 2 부분 빔
56 광학 축
58a 제 1 부분 초점 영역
58b 제 2 부분 초점 영역
60a 제 1 종방향 중심축
60b 제 2 종방향 중심축
62 복굴절 편광 소자
64 빔 입력측
66 광학 축
68 중간 이미지
69 추가 텔레스코프 장치
70 공작물
72 재료
74 가공 라인
76 제 1 외부면
78 제 2 외부면
80 세그먼트
82 세그먼트
84 에지
86 피드 방향
88 변형 영역
90 균열

Claims (12)

  1. 공작물(70)의 레이저 가공을 위한 레이저 가공 장치로서, 빔 성형 장치(16, 16')에 입사하는 입력 레이저 빔(14)으로부터 초점 영역(18)을 형성하기 위한 빔 성형 장치(16, 16') 및 상기 공작물(70)의 재료(72) 내로 상기 초점 영역(18)을 이미지화하기 위한 텔레스코프 장치(34, 34')를 포함하고, 상기 초점 영역(18)이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축(40)을 따라 연장되는 방식으로 상기 빔 성형 장치(16, 16')를 이용해서 상기 입력 레이저 빔(14)의 빔 단면에 위상 부여가 이루어지고, 상기 텔레스코프 장치(34, 34')에는 상기 빔 성형 장치(16, 16')로부터 아웃 커플링된 부분 빔(24)을 적어도 2개의 상이한 편광 상태 중 각각 하나를 갖는 다수의 편광된 부분 빔(54a, 54b)으로 분할하기 위한 빔 분할 장치(46)가 할당되고, 상기 텔레스코프 장치(34, 34')는 상기 빔 분할 장치(16, 16')와 함께 상기 편광된 부분 빔(54a, 54b)을 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 부분 빔(54a)으로부터 제 1 부분 초점 영역(58a)으로 그리고 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 부분 빔(54b)으로부터 제 2 부분 초점 영역(58b)으로 포커싱하도록 설계되어, 상기 초점 영역(18)은 적어도 부분적으로 상기 제 1 부분 초점 영역(58a)과 상기 제 2 부분 초점 영역(58b)의 공간적 중첩으로 형성되고, 상기 초점 영역(18)은 상기 종방향 중심축(40)에 대해 수직으로 배향된 평면에 비대칭 단면을 갖는 것인 레이저 가공 장치에 있어서,
    상기 빔 분할 장치(46)는 복굴절 편광 소자(62)를 갖고, 상기 편광 소자에 의해 상기 빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 상기 제 1 부분 빔(54a)과 상기 제 2 부분 빔(54b) 사이에 공간 오프셋(Δx) 및 각도 오프셋(Δα)이 모두 발생되고, 상기 빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 상기 제 1 부분 빔(54a)은 상기 텔레스코프 장치(34, 34')의 광학 축(56)에 대해 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 부분 초점 영역(58a)은 제 1 종방향 중심축(60a)을 따라 연장되고, 상기 제 2 부분 초점 영역(58b)은 제 2 종방향 중심축(60b)을 따라 연장되며, 상기 제 1 종방향 중심축(60a)과 상기 제 2 종방향 중심축(60b)은 각각 적어도 부분적으로 만곡된 형상을 갖는 것을 특징으로 하고, 특히, 상기 제 1 종방향 중심축(60a)과 상기 제 2 종방향 중심축(60b)은 상기 제 1 종방향 중심축(60a) 및/또는 상기 제 2 종방향 중심축(60b)에 대해 수직으로 배향된 방향으로 공간 오프셋(Δb)을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 부분 빔(54a)과 상기 제 2 부분 빔(54b)은 서로 비간섭성이고 및/또는 상기 제 1 부분 빔(54a)과 상기 제 2 부분 빔(54b)은 서로 고정된 위상 관계를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 분할 장치(46)는 상기 텔레스코프 장치(34, 34')의 원거리 영역(48)에 배치되고 및/또는 상기 빔 분할 장치(46)는 적어도 거의 상기 텔레스코프 장치(34, 34')의 초점면(50)에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 분할 장치(46)는 빔 분할 광학계 및 특히 편광 빔 분할 광학계를 포함하고, 및/또는 상기 빔 분할 장치(46)는 적어도 하나의 복굴절 소자와 특히 적어도 하나의 복굴절 웨지 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 입사 빔(52)은 상기 빔 분할 장치(46)에 의해 각각 서로 다른 편광 상태를 갖는 서로 상이한 부분 빔(54a, 54b)으로 분할되고, 상기 빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 서로 다른 편광 상태를 갖는 부분 빔(54a, 54b)은 각도 오프셋(Δα)을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  7. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 영역(18)의 상기 종방향 중심축(40)은 적어도 부분적으로 최소 50㎛ 및/또는 최대 100mm의 곡률 반경을 갖고, 및/또는 상기 초점 영역(18)의 상기 종방향 중심축(40)은 최소 200㎛ 및/또는 최대 2mm의 평균 곡률 반경을 갖고, 및/또는 상기 초점 영역(18)은 최소 50㎛ 및/또는 최대 20mm 그리고 특히 최소 500㎛ 및/또는 최대 2mm의 길이(l)를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  8. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 영역(18)은 준 비회절 및/또는 베셀형 빔 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  9. 선해하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 영역(18)은 이 초점 영역(18)의 상기 종방향 중심축(40)에 대해 수직으로 배향된 평면에 타원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하고, 특히 상기 초점 영역(18)의 단면 타원의 최대 직경(dx, dy)은 가공 라인(74) 및/또는 가공면을 형성하기 위해 상기 공작물(70)이 상기 초점 영역(18)에 대해 이동되는 피드 방향(86)에 대해 적어도 거의 평행하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  10. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 레이저 빔(14)을 제공하기 위한 레이저 소스(12)를 포함하고, 상기 레이저 소스(12)에 의해 특히 펄스 레이저 빔 또는 초단 펄스 레이저 빔이 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  11. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 장치(16, 16')의 빔 출력측(22)에서 아웃 커플링된 부분 빔(24)의 위상 분포는 비대칭이고 및/또는 회전 대칭이 아닌 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  12. 공작물(70)의 레이저 가공을 위한 레이저 가공 방법으로서, 빔 형성 장치(16, 16')에 의해 이 빔 형성 장치(16, 16')에 입사하는 입력 레이저 빔(14)으로부터 초점 영역(18)이 형성되고, 상기 초점 영역(18)은 텔레스코프 장치(34, 34')에 의해 상기 공작물(70)의 재료(72) 내로 이미지화되거나 이미지화될 수 있고, 상기 초점 영역(18)이 적어도 부분적으로 만곡된 종방향 중심축(40)을 따라 연장되는 방식으로 상기 빔 성형 장치(16, 16')를 이용해서 상기 입력 레이저 빔(14)의 빔 단면에 위상 부여가 이루어지고, 상기 빔 성형 장치(16, 16')로부터 아웃 커플링된 부분 빔(24)은 상기 텔레스코프 장치(34, 34')에 할당된 빔 분할 장치(46)에 의해 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태 중 각각 하나를 갖는 다수의 편광된 부분 빔(54a, 54b)으로 분할되고, 편광된 부분 빔(54a, 54b)은 제 1 편광 상태를 갖는 제 1 편광 빔(54a)으로부터 제 1 부분 초점 영역(58a)으로 그리고 제 2 편광 상태를 갖는 제 2 편광 빔(54b)으로부터 제 2 부분 초점 영역(58b)으로 포커싱되어, 상기 초점 영역(18)은 적어도 부분적으로 상기 제 1 부분 초점 영역(58a)과 상기 제 2 부분 초점 영역(58b)의 공간적 중첩으로 형성되고, 상기 초점 영역(18)은 상기 종방향 중심축(40)에 대해 수직으로 배향된 평면에 비대칭 단면을 갖는 레이저 가공 방법에 있어서,
    상기 빔 분할 장치(46)는 복굴절 편광 소자(62)를 갖고, 상기 편광 소자에 의해 상기 빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 상기 제 1 부분 빔(54a)과 상기 제 2 부분 빔(54b) 사이에 공간 오프셋(Δx) 및 각도 오프셋(Δα)이 모두 발생되고, 상기 빔 분할 장치(46)로부터 아웃 커플링된 상기 제 1 부분 빔(54a)은 상기 텔레스코프 장치(34, 34')의 광학 축(56)에 대해 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
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