KR20240033303A - 공작물의 레이저 가공 방법 및 장치 - Google Patents

공작물의 레이저 가공 방법 및 장치 Download PDF

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요나스 클라이너
다니엘 플람
미리암 카이저
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 레이저 가공을 위해 투과성 재료(102)를 포함하는 공작물(104)의 레이저 가공 방법에 관한 것이며, 입력 레이저 빔(108)은 빔 분할 요소(106)에 의해 다수의 부분 빔(116)들로 분할되고, 상기 빔 분할 요소(106)에 의한 상기 입력 레이저 빔(108)의 분할은 상기 입력 레이저 빔(108)의 빔 단면(112)에 대한 위상 부과에 의해 수행되고, 상기 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔(116)들은 포커싱 광학 유닛(118)에 의해 포커싱되고, 상기 부분 빔(116)들의 포커싱에 의해 다수의 포커스 요소(120)들이 형성되고, 상기 공작물(104)의 재료(102)에는, 레이저 가공을 위해, 형성된 포커스 요소(120)들의 적어도 하나의 서브세트가 적용된다. 상기 위상 부과는, 형성된 포커스 요소(120)들 중 적어도 2개가 서로 다른 강도(I)를 갖도록 빔 분할 요소(106)에 의해 수행된다.

Description

공작물의 레이저 가공 방법 및 장치
본 발명은 레이저 가공을 위해 투과성 재료를 포함하는 공작물의 레이저 가공 방법에 관한 것이며, 이 레이저 가공 방법에서 입력 레이저 빔은 빔 분할 요소에 의해 다수의 부분 빔들로 분할되고, 상기 빔 분할 요소에 의한 상기 입력 레이저 빔의 분할은 입력 레이저 빔의 빔 단면에 대한 위상 부과에 의해 수행되고, 상기 빔 분할 요소로부터 분리된 부분 빔들은 포커싱 광학 유닛에 의해 포커싱되고, 상기 부분 빔들의 포커싱에 의해 다수의 포커스 요소들이 형성되고, 상기 공작물의 재료에는, 레이저 가공을 위해, 형성된 포커스 요소들의 적어도 하나의 서브세트가 적용된다.
본 발명은 또한 레이저 가공을 위해 투과성 재료를 포함하는 공작물의 레이저 가공 장치에 관한 것이며, 이 레이저 가공 장치는 빔 분할 요소로 결합된 입력 레이저 빔을 다수의 부분 빔들로 분할하기 위한 빔 분할 요소를 포함하며, 상기 빔 분할 요소에 의한 상기 레이저 빔의 분할은 상기 입력 레이저 빔의 빔 단면에 대한 위상 부과에 의해 수행되고, 이 레이저 가공 장치는 또한 상기 빔 분할 요소로부터 분리된 부분 빔들의 포커싱을 위한 포커싱 광학 유닛을 포함하고, 상기 부분 빔들의 포커싱에 의해 상기 공작물의 레이저 가공을 위한 다수의 포커스 요소들이 형성된다.
DE 10 2014 116 958 A1에는 레이저 빔에 대해 대체로 투과성 재료의 레이저 가공을 위해 제공되는 레이저 빔에 위상 프로파일을 부과하기 위한 회절 광학 빔 성형 요소가 위상 마스크와 함께 알려져 있으며, 상기 위상 마스크는 위상 마스크에 떨어지는 레이저 빔에 다수의 빔 성형 위상 프로파일들을 부과하기 위해 형성되고, 다수의 빔 형성 위상 프로파일들 중 적어도 하나에는 가상 광학 이미지가 할당되고, 이 가상 광학 이미지는 가공할 재료에 변형을 형성하기 위해 적어도 하나의 길쭉한 포커스 구역에서 이미지화될 수 있다.
JP 2020 004 889 A에는 공간 광 변조기에 의해 다수의 초점이 생성되는 방식으로 특히 기판을 절단하기 위한 장치 및 방법이 알려져 있다.
본 발명의 과제는 공작물의 재료에 재료 변형들의 형성을 더 잘 제어하고 및/또는 재현 가능하게 하여, 특히 향상된 재료 분리를 가능하게 하는, 전술한 방법 및 전술한 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 전술한 방법에서 본 발명에 따라, 형성된 포커스 요소들 중 적어도 2개가 서로 다른 강도를 갖는 방식으로, 위상 부과가 빔 분할 요소에 의해 수행됨으로써 해결된다.
표면에 가까운 재료 변형들, 즉 공작물의 외부면 및/또는 상부면에 가까운 재료 변형들을 형성하려면, 재료의 볼륨 깊숙이 형성된, 즉, 공작물의 가장 가까운 외부면 및/또는 상부면으로부터 더 멀리 떨어진 재료 변형들을 형성하는 것보다 더 낮은 강도가 필요한 것으로 나타났다. 서로 다른 강도들을 갖는 다수의 포커스 요소들을 형성함으로써, 재료 볼륨의 깊이 위치에 관계없이 유사한 특성들을 갖는 재료 변형들이 공작물의 재료에 형성될 수 있다. 이는 특히 재료의 두께 방향 및/또는 깊이 방향에서 재료 변형들의 균일성을 향상시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 방식으로 향상된 품질 및/또는 균일성을 갖는 재료 분리가 달성될 수 있다.
특히, 레이저 가공을 위해 공작물의 재료에 적용되는 형성된 포커스 요소들 중 적어도 2개는 서로 다른 강도를 갖는다.
특히 형성된 포커스 요소들은 각각 서로 다른 공간 위치들에 배열된다.
포커스 요소들의 서로 다른 강도는 특히 서로 다른 공간 위치에 배열된 포커스 요소들이 각각 서로 다른 강도를 갖는다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
특히, 특정 포커스 요소의 강도는 상기 포커스 요소의 공간적 평균 강도 또는 최대 강도로 이해되어야 한다.
특히, 특정 매체 내에서 포커스 요소들의 각각의 강도는 이 매체의 흡수 효과를 무시하면서 정의된다. 예를 들어, 강도는 공기 및/또는 유리에서 정의된다.
특히, 형성된 포커스 요소들의 강도들은 공작물의 레이저 가공 중에 시간이 지남에 따라 적어도 대략 일정하다.
특히, 서로 다른 포커스 요소들은 서로 이격되어 있고 및/또는 서로 다른 공간 위치에 배열되어 있다. 원칙적으로 서로 다른 포커스 요소들이 부분적으로 공간적으로 중첩되는 것이 가능하다.
특정 포커스 요소의 공간 위치는 특히 대응하는 포커스 요소의 중심 위치로 이해되어야 한다.
포커스 요소들을 재료에 적용함으로써 유사한 재료 변형들이 재료에 생성되도록, 특히 각각의 포커스 요소들과 상기 각각의 포커스 요소들에 가장 가까운 공작물의 외부면 사이의 거리에 관계없이, 유사한 재료 변형들이 재료에 생성되도록, 포커스 요소들의 강도가 선택되는 것이 바람직할 수 있다. 이를 통해, 형성된 재료 변형들을 따라 재료의 최적화된 분리 가능성이 생긴다. 따라서, 예를 들어 증가된 균일성 및/또는 더 매끄러운 분리 가장자리를 갖는 분리가 달성될 수 있다.
유사한 재료 변형들은 특히 적어도 대략 동일한 선택적 에칭 가능성 및/또는 동일한 공간 범위를 갖는 재료 변형들을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
특히, 유사한 재료 변형들은 동일하거나 유사한 에칭 특성들을 갖는다. 특히, 습식 화학 용액을 사용한 에칭을 통해 재료의 최적화된 분리가 달성될 수 있다.
각각의 포커스 요소들이 공작물의 외부면, 특히 상기 각각의 포커스 요소들에 가장 가까운 공작물의 외부면로부터 이격되어 있는 거리 및/또는 거리 범위에 따라 포커스 요소들의 강도가 선택되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 거리 및/또는 거리 범위에 관계없이 적어도 대략 유사한 재료 변형들이 재료에 형성되게 한다.
거리 범위는 외부면, 특히 공작물의 가장 가까운 외부면으로부터 특정 간격 내에 놓이는 거리를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
특히 특정 포커스 요소는 특정 거리 범위에 명확히 할당된다. 특히, 서로 다른 거리 범위들은 중첩되지 않는다.
거리 또는 거리 범위의 거리 방향은 특히 공작물의 두께 방향과 평행하게 배향된다.
공작물은 예를 들어 판 형상 및/또는 패널 형상이다.
각각의 포커스 요소들과 공작물의 가장 가까운 외부면 사이의 거리가 증가함에 따라 포커스 요소들의 강도가 점점 더 크게 선택되는 경우 바람직할 수 있다. 이는 공작물의 볼륨에서 더 깊은 곳에 있는 재료 변형들이 덜 깊은 곳에 있는 재료 변형들과 적어도 대략 동일한 방식으로 설계될 수 있음을 의미한다.
동일한 이유로, 특정 거리 범위에 할당된 각각의 포커스 요소들의 평균 강도는 공작물의 가장 가까운 외부면으로부터 각각의 거리 범위의 중심 거리가 증가함에 따라 점점 더 커지도록 선택되는 경우 유리할 수 있다.
특히, 형성된 포커스 요소들의 상대 강도가 적어도 1.5 및/또는 최대 5.0, 바람직하게는 적어도 2.0 및/또는 최대 3.0, 특히 바람직하게는 2.5배만큼 변하는 것이 제공될 수 있다.
형성된 포커스 요소들의 상대 강도가 예를 들어 2.0배만큼 변하는 경우, 이는 형성된 포커스 요소들이 가장 작은 강도를 갖는 적어도 하나의 포커스 요소와 가장 큰 강도를 갖는 적어도 하나의 포커스 요소를 포함한다는 것을 의미한다. 가장 큰 강도를 갖는 포커스 요소의 강도는 가장 작은 강도를 갖는 포커스 요소의 강도보다 2.0배 더 크다.
특히, 적어도 하나의 거리 범위가 제공되고, 이 적어도 하나의 거리 범위 내에 있는 각각의 포커스 요소들의 강도는 적어도 대략 일정한 것이 제공될 수 있다. 예를 들어, 다수의 거리 범위들이 제공되며, 그것의 관련 포커스 요소들은 각각 서로 다른 강도들을 갖는다. 예를 들어, 포커스 요소들의 강도는 단계적으로 변한다.
특히, 적어도 하나의 거리 범위가 제공되고, 이 적어도 하나의 거리 범위 내에 있는 각각의 포커스 요소들의 강도는 변하며, 특히 이 거리 범위에 있는 포커스 요소들의 강도는 상기 포커스 요소들과 공작물의 가장 가까운 외부면 사이의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 특히, 이 거리 범위 내에 있는 둘 이상 또는 모든 포커스 요소들의 각각의 강도는 상이하다. 예를 들어, 서로 인접한 포커스 요소들의 강도는 상이하다.
예를 들어, 제 1 거리 범위 내에 있는 각각의 포커스 요소들의 강도가 변하는 제 1 거리 범위, 그리고 추가 거리 범위 내에 있는 각각의 포커스 요소들의 강도가 적어도 대략 일정한 추가 거리 범위가 제공된다. 그러면 제 1 거리 범위는 예를 들어 공작물의 외부면에 인접하거나 공작물의 외부면을 포함한다. 그러면 추가 거리 범위는 예를 들어 공작물의 재료 내에 완전히 놓이고 특히 제 1 거리 범위에 인접한다.
예를 들어, 추가 거리 범위의 포커스 요소들의 강도는 제 1 거리 범위의 포커스 요소들의 강도보다 적어도 1.5 내지 5.0배, 바람직하게는 2.0 내지 3.0배, 특히 바람직하게는 2.5배만큼 더 크다.
서로 다른 포커스 요소들이 미리 정해진 가공 라인을 따라 배열되는 경우, 특히 서로 다른 포커스 요소들이 가공 라인을 따라, 공작물의 재료에 상기 포커스 요소들을 적용하면 상기 가공 라인을 따라 재료의 분리를 가능하게 하는 재료 변형들이 재료에 형성되도록 이격되고 및/또는 그러한 강도를 갖는 경우가 바람직할 수 있다. 이를 통해, 재료를 레이저 가공할 때, 이 가공 라인을 따라 또는 이 가공 라인에 해당하는 가공 표면을 따라 재료 변형들이 형성된다. 특히, 재료는 이 가공 라인이나 가공 표면을 따라 분리될 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 가공 라인은 50㎛ 내지 5000㎛의 총 길이를 갖는다.
특히, 공작물의 재료는 열 노출 및/또는 기계적 장력을 가함으로써 및/또는 적어도 하나의 습식 화학 용액을 사용한 에칭에 의해 분리될 수 있거나 분리된다. 예를 들어, 에칭은 초음파 보조 에칭 욕에서 수행된다.
특히, 가공 라인은 공작물의 재료 두께에 걸쳐 공간적으로 연속적으로 설계될 수 있다.
가공 라인은 반드시 공간적으로 연결되어 있는 것은 아니고 공간적으로 분리된 서로 다른 섹션들을 가질 수 있다. 특히, 가공 라인에는 포커스 요소들이 배열되지 않은 갭들 및/또는 중단부들이 있을 수 있다.
특히, 가공 라인은 서로 인접한 포커스 요소들 사이의 연결 라인이거나 이를 포함한다.
특히, 레이저 가공을 위해 포커스 요소들이 공작물의 재료 내로 결합되는, 가공 라인과 공작물의 외부면 사이의 받음각은 적어도 1° 및/또는 최대 90°일 수 있다. 이를 통해 예를 들어 공작물을 수직 절단하거나 공작물을 특정 각도로 모따기하는 것이 가능하다.
특히, 가공 라인의 받음각이 적어도 부분적으로 일정하고, 및/또는 가공 라인이 서로 다른 받음각을 갖는 다수의 섹션들을 갖는 것이 제공될 수 있다..
특히, 가공 라인이 적어도 부분적으로 직선이고, 및/또는 가공 라인이 적어도 부분적으로 곡선인 것이 제공될 수 있다.
가공 라인을 곡선으로 설계하면 예를 들어 둥근 세그먼트들이 공작물로부터 분리될 수 있다. 이를 통해 예를 들어 둥근 가장자리들이 형성될 수 있다.
가공 라인을 곡선으로 설계하는 경우 가공 라인에는 예를 들어 공작물의 외부면과 관련해서 가공 라인이 갖는 특정 받음각 범위가 할당된다.
형성된 포커스 요소들 중 하나 이상이 공작물의 레이저 가공 동안 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 일시적으로 공작물의 재료 외부에 배열되는 것이 유리할 수 있다. 특히, 두께 변동이 있는 경우 및/또는 초점 위치 변동이 있는 경우 레이저 가공 중에 공작물 재료의 외부면의 영역에 포커스 요소들이 적용되는 것이 달성된다.
특히, 레이저 가공 중에 가공 라인은 공작물의 적어도 하나의 외부면를 넘어 및/또는 적어도 일시적으로 공작물의 외부면를 넘어 공작물의 두께 방향으로 돌출한다.
예를 들어, 공작물의 재료 외부에 배열된 포커스 요소들은 이 포커스 요소들에 가장 가까운 공작물의 외부면로부터 일정 거리를 두고 이격되어 있다.
예를 들어, 재료 외부에 배열된 가공 라인의 섹션은 재료 내에 배열된 가공 라인의 끝점 및/또는 끝부분까지 가공 라인의 접선 방향 연속이다.
특히, 공작물의 레이저 가공을 위해 포커스 요소들이 공작물의 재료에 대해 이동 속도로 이동되는 것이 제공될 수 있다.
특히, 공작물의 레이저 가공을 위한 포커스 요소들을 갖는 가공 라인은 이동 방향을 향한 이동 속도로 공작물에 대해 이동된다. 특히, 가공 라인에 대응하는 가공 표면이 형성되고, 이를 따라 재료 변형들이 배열된다.
바람직하게는, 포커스 요소 각각은 특히 이동 방향에 수직으로 배향된 평면에 적어도 부분적으로 놓인다. 특히 형성된 모든 포커스 요소들이 이 평면에 놓인다.
편광 빔 분할 요소에 의해 편광 빔 분할이 수행되어 부분 빔들이 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태들 중 하나를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 포커싱 광학 유닛에 의한 부분 빔들의 포커싱에 의해 서로 다른 편광 상태들을 갖는 포커스 요소들이 형성되고, 특히 서로 다른 편광 상태들을 갖는 포커스 요소들이 서로 인접하게 배열된다. 이는 특히 서로 인접한 포커스 요소들 간의 간섭을 방지한다. 이는 서로 인접한 포커스 요소들이 서로 특히 작은 거리를 두고 배열되게 한다.
초단 레이저 펄스에 의해 투과성 재료에 도입된 재료 변형들은 세 가지 클래스로 세분된다(K. Itoh 등, "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials", MRS Bulletin, 31권, 620페이지(2006) 참조): 유형 I은 등방성 굴절률 변화이고; 유형 II는 복굴절 굴절률 변화이고; 유형 III은 소위 보이드 또는 공동이다. 생성된 재료 변형은 펄스 지속 시간, 파장, 펄스 에너지 및 레이저 빔의 반복 주파수와 같은 초점 구역이 형성되는 레이저 빔의 레이저 파라미터, 특히 전자 구조와 열팽창 계수와 같은 재료 특성, 및 포커싱의 개구수(NA)에 따라 달라진다.
유형 I의 등방성 굴절률 변화들은 레이저 펄스로 인한 국부적으로 제한된 용융과 투과성 재료의 신속한 재응고화에 기인한다. 예를 들어, 석영 유리의 경우 석영 유리가 더 높은 온도에서 빠르게 냉각되면 재료의 밀도와 굴절률이 더 높아진다. 따라서 포커스 볼륨의 재료가 녹은 다음 빠르게 냉각되면, 석영 유리는 변형되지 않은 영역보다 재료 변형 영역에서 더 높은 굴절률을 갖게 된다.
유형 II의 복굴절 굴절률 변화는 예를 들어 초단 레이저 펄스와 상기 레이저 펄스에 의해 생성된 플라즈마의 전기장 사이의 간섭으로 인해 발생할 수 있다. 이 간섭은 전자 플라즈마 밀도의 주기적인 변조로 이어지며, 이는 응고 중에 투과성 재료의 복굴절 특성, 즉 방향 의존 굴절률로 이어진다. 유형 II 변형에는 예를 들어 소위 나노 격자 형성이 수반된다.
예를 들어 높은 레이저 펄스 에너지를 사용하면 유형 III 변형의 보이드(공동)들이 생성될 수 있다. 보이드들의 형성은 고도로 여기되고 기화된 재료가 포커스 볼륨으로부터 주변 재료로 폭발적으로 팽창하기 때문에 발생한다. 이 과정은 미세 폭발이라고도 한다. 이 팽창은 재료의 벌크 내에서 발생하기 때문에 미세 폭발은 덜 조밀하거나 속이 빈 코어(보이드), 또는 압축된 재료 쉘로 둘러싸인 서브미크론 범위 또는 원자 범위의 미세한 결함을 남긴다. 미세 폭발의 충격파면에서의 압축은 투과성 재료에 장력을 생성하여 자발적인 균열 형성으로 이어질 수 있거나 균열 형성을 촉진할 수 있다.
특히, 보이드들의 형성은 유형 I 및 유형 II 변형과 연관될 수 있다. 예를 들어, 유형 I 및 유형 II 변형은 도입된 레이저 펄스 주변의 응력이 덜한 영역에서 발생할 수 있다. 유형 III 변형 도입에 대해 이야기하면 어쨌든 밀도가 낮거나 속이 빈 코어 또는 결함이 있다. 예를 들어, 사파이어에서 유형 III 변형에서 미세 폭발은 공동을 생성하지 않고 오히려 낮은 밀도의 영역을 생성한다. 유형 III 변형에서 발생하는 재료 응력으로 인해 이러한 변형은 종종 균열 형성을 수반하거나 적어도 균열 형성을 촉진한다. 유형 III 변형을 도입할 때 유형 I 및 유형 II 변형의 형성은 완전히 방지되거나 피해질 수 없다. 따라서 "순수한" 유형 III 변형을 찾는 것은 불가능하다.
레이저 빔의 높은 반복률에서는 재료가 펄스들 사이에서 완전히 냉각될 수 없으므로 펄스마다 도입되는 열의 누적 효과가 재료 변형에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 반복 주파수는 재료의 열 확산 시간의 역수보다 높을 수 있으므로, 재료의 용융 온도가 될 때까지, 레이저 에너지의 연속적인 흡수에 의해 포커스 요소들에서 열 축적이 일어날 수 있다. 열에너지를 포커스 요소들 주변 영역으로 열 전달함으로써 포커스 요소들보다 더 큰 영역이 용융될 수 있다. 초단 레이저 펄스를 도입한 후 가열된 재료는 빠르게 냉각되어 재료 내의 고온 상태의 밀도 및 기타 구조적 특성은 말하자면 동결된다.
특히, 공작물의 재료에 포커스 요소들을 적용함으로써 재료의 균열 형성과 관련된 재료 변형들이 재료에 형성되고 및/또는 공작물의 재료에 포커스 요소들을 적용함으로써 유형 III 재료 변형들이 재료에 형성된다.
재료 변형들의 형성이 균열 형성과 관련되어 있다는 사실은 특히 재료 변형들의 형성이 재료 내의 균열 형성을 수반하고 및/또는 재료 변형들이 형성될 때 재료에 균열이 형성되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
특히, 공작물의 재료에 포커스 요소들을 적용함으로써, 재료의 굴절률 변화와 관련된 재료 변형들이 재료에 형성되고 및/또는 공작물의 재료에 포커스 요소들을 적용함으로써, 유형 I 재료 변형들 및/또는 유형 II 재료 변형들이 재료에 형성된다.
재료 변형들의 형성이 굴절률 변화와 관련되어 있다는 사실은 특히 재료 변형들의 형성이 재료 내의 굴절률 변화를 수반하고 및/또는 재료 변형들이 형성될 때 재료의 굴절률 변화가 발생하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
공작물을 레이저 가공하기 위한 전술한 장치에서, 형성된 포커스 요소들 중 적어도 2개가 서로 다른 강도를 갖도록 빔 분할 요소를 사용하여 위상 부과가 발생하는 것이 본 발명에 따라 제공된다.
본 발명에 따른 장치는 특히 본 발명에 따른 방법의 하나 이상의 특징 및/또는 이점을 갖는다. 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예들은 본 발명에 따른 방법과 관련하여 이미 설명되었다.
특히, 장치는 입력 레이저 빔의 빔 전파 방향과 관련해서 빔 분할 요소 전 또는 후에 배열되는 적어도 하나의 편광 빔 분할 요소를 포함하며, 상기 편광 빔 분할 요소에 의해 편광 광 분할은, 포커싱 광학 유닛에 입사된 부분 빔 각각이 적어도 두 개의 서로 다른 편광 상태들 중 하나를 갖고 포커싱 광학 유닛을 사용하여 부분 빔들을 포커싱함으로써 서로 다른 편광 상태들을 갖는 포커스 요소들이 형성되도록 수행된다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 장치를 사용하여 수행될 수 있거나, 본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 장치를 사용하여 수행된다.
특히, 포커스 요소들은 입력 레이저 빔으로부터 형성되고, 포커스 요소들은 특히 입력 레이저 빔의 재성형 및/또는 빔 성형에 의해 형성된다.
특히, 빔 분할 요소에 의한 입력 레이저 빔의 분할은 입력 레이저 빔의 위상 조작에 의해 수행되는 것이 제공될 수 있다. 특히, 입력 레이저 빔의 분할은 입력 레이저 빔의 위상 조작에 의해서만 수행된다.
포커싱 광학 유닛은 반드시 별도의 광학 요소로 설계될 필요는 없다. 원칙적으로, 포커싱 광학 유닛이 장치의 다른 구성요소, 예를 들어 빔 분할 요소 및/또는 편광 빔 분할 요소에 통합되는 것도 가능하다.
특히, 빔 분할 요소에 의해 수행되는, 제 1 입력 빔의 빔 단면에 대한 위상 부과는 다양하게 조정 및/또는 정의될 수 있다.
빔 분할 요소는 특히 회절 빔 분할 요소로 및/또는 3D 빔 분할 요소로 설계된다.
특히, 본 발명에 따른 장치는 입력 레이저 빔, 특히 펄스화된 레이저 빔 및/또는 초단 펄스 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스를 포함한다.
특히, 공작물의 재료는 입력 레이저 빔에 투과성 재료 및/또는 포커스 요소들이 형성되는 레이저 빔에 투과성 재료로 제조된다.
투과성 재료는 특히 포커스 요소들이 형성되는 레이저 빔의 레이저 에너지의 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 특히 적어도 90%가 투과되는 재료로 이해되어야 한다.
특히, 포커스 요소들은 초단 펄스 레이저 빔으로 형성되거나 초단 펄스 레이저 빔에 의해 제공된다. 이 초단 펄스 레이저 빔에는 특히 초단 레이저 펄스가 포함된다.
예를 들어, 입력 레이저 빔 및/또는 포커스 요소들이 형성되는 레이저 빔의 파장은 적어도 300nm 및/또는 최대 1500nm이다. 예를 들어 파장은 515nm 또는 1030nm이다.
특히, 입력 레이저 빔 및/또는 포커스 요소들이 형성되는 레이저 빔은 적어도 1W 내지 1kW의 평균 전력을 갖는다. 예를 들어, 레이저 빔은 최소 10μJ 및/또는 최대 50mJ의 펄스 에너지를 갖는 펄스를 포함한다. 레이저 빔은 개별 펄스들 또는 버스트들을 포함하며, 버스트들은 2 내지 20 서브 펄스, 특히 대략 20ns의 시간 간격을 갖는다.
특히, 포커스 요소는 특정 공간 범위를 갖는 방사 영역을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 포커스 요소의 직경과 같은 특정 포커스 요소의 공간 치수를 결정하려면 특정 강도 임계값보다 높은 강도 값들만 고려된다. 강도 임계값은 예를 들어 이 강도 임계값 아래의 값들이 재료 변형들을 형성하기 위해 재료와의 상호작용에 더 이상 관련되지 않을 정도로 낮은 강도를 갖도록 선택된다. 예를 들어, 강도 임계값은 포커스 요소의 글로벌 강도 최대값의 50%이다.
특히, "적어도 대략" 또는 "대략"이라는 표현은 일반적으로 10% 이하의 편차를 의미한다. 달리 명시하지 않는 한, "적어도 대략" 또는 "대략"이라는 표현은 특히 실제 값 및/또는 거리 및/또는 각도가 이상적인 값 및/또는 거리 및/또는 각도로부터 최대 10% 벗어남을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명은 도면을 참조하여 본 발명을 더 자세히 설명하는 역할을 한다.
도 1은 공작물의 레이저 가공 장치의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2는 레이저 가공을 위해 다수의 포커스 요소들이 적용되는 공작물 섹션의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 공작물 외부에 위치한 다수의 포커스 요소들이 적용되는 공작물 섹션의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 포커스 요소들을 공작물에 적용함으로써 재료의 균열 형성을 수반하는 재료 변형들이 생성된 공작물 섹션의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5a는 공작물의 레이저 가공을 위한 포커스 요소들의 시뮬레이션된 강도 분포의 단면도를 도시한다.
도 5b는 도 5a에 따른 강도 분포에 할당된 위상 분포를 도시한다.
도 6a는 가공 라인 및/또는 가공 표면을 따라 연장되는 재료 변형들이 형성된 공작물의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 6b는 가공 라인 및/또는 가공 표면을 따라 도 6a에 따른 공작물을 분리함으로써 형성되는 2개의 공작물 세그먼트의 개략도를 도시한다.
모든 도면들에서 동일하거나 기능적으로 동등한 요소들에는 동일한 도면 번호가 제공된다.
공작물의 레이저 가공 장치의 일 실시예가 도 1에 도시되어 있고 도면 부호 100으로 표시되어 있다. 장치(100)에 의해, 서브미크론 범위 또는 원자 범위의 결함과 같은 국부적인 재료 변형들이 공작물(104)의 재료(102)에 생성될 수 있으며, 이들은 재료를 약화시킨다. 이러한 재료 변형들에서 공작물(104)이 분리될 수 있거나, 예를 들어 공작물 세그먼트가 공작물(104)로부터 분리될 수 있다.
특히, 장치(100)에 의해 재료 변형들이 받음각으로 재료(102)로 도입될 수 있어, 공작물(104)로부터 해당 공작물 세그먼트를 분리함으로써 공작물(104)의 가장자리 영역이 모따기되거나 경사질 수 있다.
장치(100)는 입력 레이저 빔(108)이 결합되는 빔 분할 요소(106)를 포함한다. 이 입력 레이저 빔(108)은 예를 들어 레이저 소스(110)에 의해 제공된다. 예를 들어, 입력 레이저 빔(108)은 펄스화된 레이저 빔 및/또는 초단 펄스 레이저 빔이다.
입력 레이저 빔(108)은 다수의 빔들, 특히 평행 빔들을 포함하는 빔 번들로 이해되어야 한다. 입력 레이저 빔(108)은 특히 입력 레이저 빔(108)이 빔 분할 요소(106)에 충돌하는 가로 빔 단면(112) 및/또는 가로 빔 범위를 갖는다.
빔 분할 요소(106)에 부딪히는 입력 레이저 빔(108)은 특히 적어도 대략 평평한 파면(114)을 갖는다.
빔 분할 요소(106)에 의해, 입력 레이저 빔(108)은 다수의 부분 빔(116)들 및/또는 부분 빔 번들들로 분할된다. 도 1에 도시된 예에서, 2개의 서로 다른 부분 빔(116a, 116b)들이 도시되어 있다.
빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔(116)들은 특히 발산 빔 프로파일을 갖는다.
빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔(116)들의 포커싱을 위해, 장치(100)는 포커싱 광학 유닛(118)을 포함하고, 이 포커싱 광학 유닛(118) 내로 부분 빔(116)들이 결합된다. 포커싱 광학 유닛(118)은 예를 들어 현미경 대물렌즈 및/또는 렌즈 요소로서 설계된다.
특히, 서로 다른 부분 빔(116)들은 공간 오프셋 및/또는 각도 오프셋으로 포커싱 광학 유닛(118)에 부딪힌다.
부분 빔들(116)은 포커싱 광학 유닛(118)에 의해 포커싱되어 다수의 포커스 요소(120)들이 형성되고, 상기 포커스 요소(120) 각각은 서로 다른 공간 위치들에 배열된다. 원칙적으로, 서로 인접한 포커스 요소(120)들이 부분적으로 공간적으로 중첩되는 것이 가능하다.
예를 들어, 하나 이상의 부분 빔(116) 및/또는 부분 빔 번들이 각각의 포커스 요소(120)에 할당된다. 예를 들어, 각각의 포커스 요소(120)는 하나 이상의 부분 빔(116) 및/또는 부분 빔 번들을 포커싱함으로써 형성된다.
공작물(104)의 레이저 가공을 위해, 포커스 요소(120)들은 공작물(104)의 재료(102) 내로 도입되고 재료(102)에 대해 이동된다.
특정 포커스 분포는 빔 분할 요소(106) 내로 결합된 입력 레이저 빔(108)에 할당된다. 이 포커스 분포는 빔 분할 요소(106) 내로 결합 전에 입력 레이저 빔(108)을 포커싱함으로써 형성될 포커스 요소의 기하학적 형상 및/또는 강도 프로파일을 나타낸다. 특히, 기하학적 형상은 형성된 포커스 요소의 공간적 형상 및/또는 공간적 범위를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
예를 들어, 입력 레이저 빔(108)은 예를 들어 레이저 소스(110)에 의해 제공되는 경우, 가우스 빔 프로파일을 갖는다. 이 경우, 입력 레이저 빔(108)을 포커싱함으로써, 가우스 형상 및/또는 가우스 강도 프로파일을 갖는 포커스 분포를 갖는 포커스 요소가 형성된다.
대안적으로, 예를 들어 베셀형 빔 프로파일이 입력 레이저 빔(108)에 할당되어, 입력 레이저 빔(108)을 포커싱함으로써 베셀형 형상 및/또는 베셀형 강도 프로파일을 갖는 포커스 분포를 갖는 포커스 요소가 형성된다.
입력 레이저 빔(108)의 포커스 분포는, 부분 빔(116)들의 포커싱에 의해 이 포커스 분포 및/또는 이 포커스 분포에 기초한 포커스 분포를 갖는 포커스 요소(120)들이 형성되는 방식으로, 빔 분할 요소(106)에 의해 입력 레이저 빔(108)을 분할함으로써 형성된 부분 빔(116)들 및/또는 부분 빔 번들들에 할당된다.
도 1에 도시된 예에서, 입력 레이저 빔(108)은 가우스 빔 프로파일을 갖는다. 즉, 가우스 형상 및/또는 가우스 강도 프로파일을 갖는 포커스 분포가 입력 레이저 빔(108)에 할당된다. 그러면 포커스 요소(120)들은 예를 들어, 이 가우스 형상 및/또는 이 가우스 강도 프로파일을 갖거나 이 가우스 형상 및/또는 이 가우스 강도 프로파일에 기초한 형상 및/또는 강도 프로파일을 갖는 포커스 분포(121)를 갖는다.
포커스 분포(121)는 각각의 포커스 요소(120)들의 특성이며 그 형상 및/또는 강도 프로파일을 나타낸다.
예를 들어, 베셀형 빔 프로파일이 입력 레이저 빔(108)에 할당되면, 공작물(104)의 레이저 가공을 위해 형성된 포커스 요소(120)들은 각각 이 베셀형 빔 프로파일 또는 이 베셀형 프로파일에 기초한 빔 프로파일을 갖는 포커스 분포(121)를 갖는다. 따라서, 포커스 요소(120)들은 긴 형상 및/또는 긴 강도 프로파일을 갖는 포커스 분포로 각각 설계될 수 있다.
장치(100)는 입력 레이저 빔(108)의 빔 성형을 위한 빔 성형 장치(122)를 갖는(도 1에 도시됨) 것이 제공될 수 있다. 예를 들어, 이 빔 성형 장치(122)는 입력 레이저 빔(108)의 빔 전파 방향(124)과 관련해서 빔 분할 요소(106) 전에 및/또는 레이저 소스(110)와 빔 분할 요소(106) 사이에 배열된다.
빔 성형 장치(122)에 의해, 특정 포커스 분포 및/또는 특정 빔 프로파일이 입력 레이저 빔(108)에 할당될 수 있다.
빔 성형 장치(122)는 예를 들어 가우스 빔 프로파일을 갖는 레이저 빔으로부터 준-비회절 및/또는 베셀형 빔 프로파일을 갖는 레이저 빔을 형성하도록 설계될 수 있다. 그러면 빔 분할 요소(106) 내로 결합된 입력 레이저 빔(108)은 상응하게 준-비회절 및/또는 베셀형 빔 프로파일을 갖는다.
준-비회절 및/또는 곡선 형태의 베셀형 빔의 형성 및 특성에 대해, I. Chremmos 등의 과학 간행물 "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories", Optics Letters, 37권, 23호, 2012년 12월 1일이 참조된다.
빔 분할 요소(106)를 사용한 빔 분할에 의해, 특히 포커스 요소(120)들은 각각 복사본으로 형성된다. 특히, 형성된 포커스 요소(120)들 중 하나 이상은 동일한 기하학적 형상 및/또는 동일한 강도 프로파일을 갖는다.
특히, 서로 인접한 포커스 요소들(120) 사이의 각각의 거리(d) 및/또는 공간 오프셋은 빔 분할 요소(106)에 의해 설정될 수 있다. 빔 분할 요소(106)에 의해 설정될 수 있는 거리(d)의 거리 방향은 바람직하게는 공작물(104)의 레이저 가공을 위해 포커스 요소(120)들이 공작물(104)에 대해 이동되는 이동 방향(126)에 대해 횡방향으로, 특히 수직으로 배향된 평면에 위치한다. 예를 들어, 거리(d)는 빔 분할 요소(106)에 의해 구성요소별로, 언급된 평면에 걸쳐 있거나 언급된 평면에 놓이는 2개의 공간 방향으로 설정될 수 있다(도 1에 도시된 예에서, x 방향 및 z 방향).
도 1에 도시된 예에서, 이동 방향(126)은 x 방향 및 z 방향에 수직인 y 방향에 평행하게 배향된다.
특히, 거리(d)를 설정하기 위해, 부분 빔(116)들은 특정 공간 오프셋 및/또는 특정 수렴 및/또는 발산으로 포커싱 광학 유닛(118)에 충돌하는 방식으로 설계된다. 이어서, 부분 빔(116)들은 포커싱 광학 유닛(118)에 의해 포커싱되어, 포커싱 요소(120)들이 해당 거리(d) 및/또는 공간 오프셋을 갖도록 형성된다.
또한, 특정 강도(I)는 빔 분할 요소(106)에 의해 형성된 포커스 요소(120)들에 각각 할당될 수 있다. 특히, 특정 포커스 요소(120)의 각각의 강도(I)는 빔 분할 요소(106)에 의해 설정되고 특히 입력 레이저 빔(108)에 대한 위상 부과에 의해 설정된다. 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔(116)들을 포커싱함으로써, 포커스 요소(120)들은 정의된 강도(I)로 형성된다.
특히, 특정 포커스 요소(120)의 강도(I)는 해당 포커스 요소(120)의 절대 강도 및/또는 평균 강도로 이해되어야 한다.
빔 분할은 형성된 포커스 요소들(120) 중 2개 이상이 각각 서로 다른 강도(I)를 갖는 방식으로 빔 분할 요소(106)에 의해 수행된다.
빔 분할 요소(106)에 의해 빔 분할을 수행하기 위해, 정의된 가로 위상 분포가 입력 레이저 빔(108)의 가로 빔 단면(112)에 적용된다. 가로 빔 단면 또는 가로 위상 분포는 특히 빔 전파 방향(124)에 대해 횡 방향으로, 특히 수직으로 배향된 평면에서의 위상 분포 또는 빔 단면으로 이해되어야 한다. 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 빔들의 가로 위상 분포의 예가 도 5b에 도시되어 있다.
포커스 요소(120)들은 포커싱된 부분 빔(116)들의 간섭에 의해 형성되며, 예를 들어 보강 간섭, 상쇄 간섭 또는 부분 보강 또는 상쇄 간섭 등이 발생할 수 있다.
각각의 거리(d) 및/또는 공간 오프셋을 갖는 포커스 요소(120)를 형성하기 위해, 특히 각 포커스 요소(120)에 대해 할당된 위상 분포가 특정 광학 격자 부품 및/또는 광학 렌즈 부품을 갖는 방식으로, 빔 분할 요소(106)에 의한 위상 부과가 수행된다.
광학 격자 부품으로 인해, 부분 빔(116)들의 포커싱 후, 형성된 포커스 요소(120)들의 해당 공간 오프셋은 제 1 공간 방향, 예를 들어 x 방향으로 발생한다. 광학 렌즈 부품으로 인해, 부분 빔(116)들 또는 부분 빔 번들들은 서로 다른 각도 또는 서로 다른 수렴 또는 발산으로 포커싱 광학 유닛(118)에 부딪히며, 이는 포커싱 후에 제 2 공간 방향, 예를 들어 z 방향으로 공간 오프셋을 초래한다.
각각의 포커스 요소(120)들의 강도는 포커싱된 부분 빔(116)들의 위상 위치들에 의해 결정된다. 이러한 위상 위치들은 언급된 광학 격자 부품과 광학 렌즈 부품에 의해 정의될 수 있다. 빔 분할 요소(106)를 설계할 때, 포커싱된 부분 빔(116)들의 위상 위치들은 포커스 요소(120)들이 각각 원하는 강도를 갖도록 서로에 대해 선택될 수 있다.
빔 분할 요소(106)의 기술적 구현 및 특성에 대해, D. Flamm 등의 과학 간행물 "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing", arXiv:2012.10119v1[physics.optics], 2020년 12월 18일이 참조된다. 여기에는 명시적으로 전체 내용이 참조된다.
예를 들어, 빔 분할 요소(106)는 3D 빔 분할 요소로 설계된다.
장치(100)가 편광 빔 분할 요소(128)를 갖는 것이 제공될 수 있다. 편광 빔 분할 요소(128)에 의해, 입력 레이저 빔(108) 및/또는 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔이 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태들 중 하나를 각각 갖는 빔들로편광 빔 분할된다.
입력 레이저 빔(108)의 빔 전파 방향(124)과 관련하여, 편광 빔 분할 요소(128)는 예를 들어 빔 분할 요소(106) 전 또는 후에 배열될 수 있다.
특히, 언급된 편광 상태들은 선형 편광 상태들을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 예를 들어 두 개의 서로 다른 편광 상태들이 제공되고 및/또는 서로 수직으로 배향된 편광 상태들이 제공된다.
특히, 편광 빔 분할 요소(128)로부터 분리된 빔들은 전기장이 빔들의 전파 방향에 수직인 평면으로 배향되는(가로 전기) 방식으로 편광된다.
편광 빔 분할을 위해, 편광 빔 분할 요소(128)는 예를 들어 복굴절 렌즈 요소 및/또는 복굴절 쐐기 요소를 갖는다. 복굴절 렌즈 요소 및/또는 복굴절 쐐기 요소는 예를 들어 석영 크리스탈로 제조되거나 석영 크리스탈을 포함한다.
편광 빔 분할 요소(128)의 기능 및 설계에 대해, 동일한 출원인의 파일 번호 10 2020 207 715.0(출원일: 2020년 6월 22일) 및 파일 번호 10 2019 217 577.5(출원일: 2019년 11월 14일)의 독일 특허 출원이 참조된다. 여기에는 명시적으로 전체 내용이 참조된다.
편광 빔 분할 요소(128)를 사용한 편광 빔 분할에 의해, 포커싱 광학 유닛(118)에 부딪히는 부분 빔(116) 각각은 예를 들어 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태들 중 하나를 갖는다. 포커싱 광학 유닛(118)를 사용하여 이 부분 빔(116)들을 포커싱함으로써, 포커스 요소(120)들은 각각 특정 편광 상태를 갖는 빔들로 형성될 수 있다. 이로써 특정 편광 상태가 포커스 요소(120)들에 각각 할당될 수 있다.
특히, 서로 인접한 포커스 요소(120)들은 각각 서로 다른 편광 상태를 갖는 것이 제공될 수 있다.
특히, 빔 분할 요소(106) 및/또는 편광 빔 분할 요소(128)는 각각 원거리 필드 빔 성형 요소로서 설계된다.
공작물(104)의 레이저 가공을 위해, 형성된 포커스 요소(120)들의 적어도 하나의 서브세트 및/또는 선택이 재료(102) 내로 도입된다(도 2).
형성된 포커스 요소(120) 각각에는 특정 국부적 위치(x0, z0)가 할당되며, 상기 위치에서 각각의 포커스 요소(120)가 공작물(104)의 재료(102)에 대해 배열된다. 또한, 포커스 요소(120) 각각에는 특정 강도(I)가 할당된다.
특히, 각각의 포커스 요소(120)들의 국부적 위치들은 이동 방향(126)에 수직으로 배향된 평면에 놓인다. 특히, 형성된 모든 포커스 요소(120)들은 적어도 부분적으로 이동 방향(126)에 수직으로 배향된 이 평면에 놓인다.
빔 분할 요소(106)에 의해, 각각의 포커스 요소(120)의 국부적 위치(x0, z0) 및 강도(I)가 정의될 수 있다. 이를 위해, 빔 분할 요소(106)에 의해 입력 레이저 빔(108)의 빔 단면(112)에 가해지는 위상 분포가 이에 따라 조정된다.
공작물(104)의 레이저 가공을 위해 재료(102) 내로 도입되는 포커스 요소(120)들의 결합은 예를 들어 공작물(104)의 제 1 외부면(130)를 통해 일어난다.
예를 들어, 공작물(104)은 판 형상 및/또는 패널 형상이다. 공작물(104)의 제 2 외부면(132)은 제 1 외부면(130)로부터 일정 거리를 두고, 예를 들어 공작물(104)의 두께 방향(134) 및/또는 깊이 방향으로 배열된다.
이동 방향(126)은 공작물(104)의 두께 방향(134)에 대해 횡방향으로, 특히 수직으로 배향된다.
특히, 형성된 포커스 요소(120)들은 정의된 가공 라인(136)을 따라 배열된다. 이 가공 라인(136)은 공작물(104)의 레이저 가공이 수행되는 원하는 가공 형상에 대응한다.
가공 라인(136)을 따라 배열된 포커스 요소(130)의 각각의 거리(d) 및 강도(I)는, 이 포커스 요소(120)들을 재료(102)에 적용함으로써 재료 변형(138)들이 형성되고(도 4), 이 재료 변형들은 가공 라인(136) 및/또는 이 가공 라인(136)에 대응하는 가공 표면을 따라 재료의 분리를 가능하게 하도록, 선택된다.
특히, 가공 라인(136)은 제 1 외부면(130)과 제 2 외부면(132) 사이에, 특히 공작물(104)의 제 1 외부면과 제 2 외부면(132) 사이에서 연속적으로, 연장되는 것이 제공될 수 있다.
가공 라인(136)은 다수의 서로 다른 섹션(140)들을 가질 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 가공 라인(136)은 제 1 섹션(140a), 제 2 섹션(140b) 및 제 3 섹션(140c)을 갖고, 두께 방향(134)과 관련해서 제 2 섹션(140b)은 제 1 섹션(140a)에 인접하고, 제 3 섹션(140c)은 제 2 섹션(140b)에 인접한다.
그러나 가공 라인(136)은 반드시 연속적으로 및/또는 미분 가능하도록 설계되지는 않는다. 가공 라인(136)은 특히 포커스 요소(120)들이 배열되지 않는 중단부들 및/또는 갭들을 가질 수 있다.
가공 라인(136) 및/또는 가공 라인(136)의 상이한 섹션(140)들은 예를 들어 직선 또는 곡선으로 설계될 수 있다.
또한, 가공 라인(136) 및/또는 가공 라인(136)의 각 섹션(140)들에는, 공작물(104)의 제 1 외부면(130)과 함께 가공 라인(136) 또는 각 섹션(140)을 포함하는 특정 받음각(α) 및/또는 받음각 범위가 할당된다.
도시된 실시예에서, 제 1 섹션(140a)과 제 3 섹션(140c)의 받음각(α)은 45°이고, 제 2 섹션의 받음각은 90°이다.
특정 섹션(140)에 할당된 포커스 요소(120)들은 각각 서로 다른 강도(I)를 가질 수 있다.
특정 포커스 요소(120)의 각각의 강도(I)는 해당 포커스 요소(120)가 해당 포커스 요소(120)에 가장 가까운 공작물(104)의 외부면(130, 132)로부터 이격되는 거리(d0) 및/또는 거리 범위(dr)에 따라 선택된다. 거리(d0) 및/또는 거리 범위(dr)의 거리 방향은 특히 공작물(104)의 두께 방향(134)에 평행하게 배향된다.
포커스 요소(120)에 가장 가까운 외부면은 해당 포커스 요소(120)로부터 가장 짧은 거리, 특히 두께 방향(134.2)과 관련해서 가장 짧은 거리를 갖는 공작물의 외부면(130, 132)를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 도 2에 도시된 예에서, 포커스 요소(120a)에 가장 가까운 외부면은 제 1 외부면(130)이고, 포커스 요소(120b)에 가장 가까운 외부면은 제 2 외부면(132)이다.
각 거리 범위(dr)에 중심 거리(drm)가 할당되며, 상기 중심 거리(drm)는 해당 거리 범위(dr)와 공작물(104)의 가장 가까운 외부면(130, 132) 사이의 평균 거리로 이해되어야 한다.
도 2에 따른 예에서, 제 1 거리 범위(dr1) 및 제 2 거리 범위(dr2)가 제공되며, 제 1 거리 범위(dr1) 내에 있는 포커스 요소(120)들은 제 1 강도(I1)를 갖고, 제 2 거리 범위(dr2) 내에 있는 포커스 요소(120)들은 상기 제 1 강도(I1)와는 다른 제 2 강도(I2)를 갖는다. 강도(I2)는 강도(I1)보다 크다(도 2에 도시됨).
예를 들어, 제 1 거리 범위(dr1)와 제 2 거리 범위(dr2)는 연속적인 및/또는 중첩되지 않는 거리 범위들이다. 이에 따라 서로 다른 포커스 요소(120)들은 특정 거리 범위(dr)에 명확하게 할당된다.
도 2에 도시된 예에서, 제 1 거리 범위(dr1) 내에 있는 포커스 요소(120)들과 제 2 거리 범위(dr2) 내에 있는 포커스 요소(120)들의 각각의 강도(I1, I2)는 적어도 대략 일정하다. 그러나, 내부에 위치하는 둘 이상의 포커스 요소(120)들이 서로 다른 강도(I)들을 갖는 적어도 하나의 거리 범위(dr)가 제공되는 것도 기본적으로 가능하다.
공작물(104)의 레이저 가공 동안 특정 시간 및/또는 특정 위치에서 적어도 부분적으로 공작물(104) 외부에 배열되는 포커스 요소(120)들이 형성되는 것이 제공될 수 있다(도 3). 이 경우, 포커스 요소(120)들이 배열되는 가공 라인(136)은, 가공 라인(136)이 공작물(104)의 제 1 외부면(130) 및/또는 제 2 외부면(132)를 넘어 돌출하는 적어도 하나의 섹션(142)을 갖는다.
도 3에 따른 예에서, 가공 라인은 두 개의 섹션(142)들을 갖는다.
섹션(142)은 예를 들어, 재료(102) 내에 배열된 가공 라인(136)의 끝점(144) 및/또는 끝부분까지 가공 라인(136)의 접선 방향 연속이다.
특히, 재료(102) 외부에 배열된 가공 라인(136)의 섹션(142)은 섹션(142)에 가장 가까운 공작물(104)의 외부면(130 또는 132)를 넘어 최대 거리(dmax)까지 돌출하고, 최대 거리(dmax)의 거리 방향은 두께 방향(134)으로 배향된다.
특히, 최대 거리(dmax)는 재료(102) 외부에 배열되며 가장 가까운 외부면(130, 132)로부터 최대 거리를 갖는 포커스 요소(120c)의 거리이다.
최대 거리(dmax)는 특히 재료(102)의 두께 및/또는 축 공차의 변동이 보상될 수 있도록 선택된다.
재료(102)의 두께가 특정 영역에서 예를 들어 이동 방향(126)으로 증가하는 경우, 이 영역의 재료(102)에는 재료(102) 외부의 다른 영역에 배열된 포커스 요소(120)들이 적용된다.
포커스 요소(120)들을 재료(102)에 적용 및/또는 도입함으로써, 재료(102)의 대응 포커스 요소들(120)의 각각의 국부적 위치(x0, z0)에 배열된 국부적인 재료 변형(146)들이 형성된다(도 4).
포커스 요소(120)들 사이의 각각의 거리(d)들, 각각의 강도(I)들, 이동 방향(126)으로 배향된 이동 속도 및 입력 레이저 빔(108)의 레이저 파라미터들과 같은 가공 파라미터들의 적절한 선택에 의해, 재료 변형(146)들은 예를 들어, 공작물(104)의 재료(102)에 균열(148)이 자발적으로 형성되는 유형 III 변형으로 설계될 수 있다. 특히, 균열(148)들은 서로 인접한 재료 변형(146)들 사이에 형성된다.
대안적으로, 가공 파라미터의 적절한 선택에 의해 재료 변형(146)들은 재료(102)에 열 축적 및/또는 재료(102)의 굴절률 변화를 수반하는 유형 I 및/또는 유형 II 변형으로 설계될 수도 있다.
유형 I 및/또는 유형 II 변형으로서 재료 변형(146)들의 설계는 공작물(104)의 재료(102)에 열 축적과 관련되어 있다. 특히, 이러한 재료 변형(146)들의 설계를 위해, 포커스 요소(120)들 사이의 각각의 거리(d)는 재료(102)에 포커스 요소들이 적용될 때 이러한 열 축적이 발생할 정도로 작게 선택된다.
도 5a는 다수의 포커스 요소(120)들의 시뮬레이션된 강도 분포를 도시하며, z 방향과 관련하여 하부에 배열된 포커스 요소들은 상부에 배열된 포커스 요소(120)들보다 낮은 강도(I)를 갖는다. 도시된 그레이 스케일 표현에서, 더 밝은 영역은 더 높은 강도를 나타낸다.
도 5b는 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 빔들의, 도 5a에 따른 강도 분포에 할당된 위상 분포를 도시하며, 그레이 스케일의 범위는 흰색(위상 +Pi)부터 검은색(위상 -Pi)까지이다.
장치(100)를 사용한 공작물(104)의 레이저 가공은 다음과 같이 작동한다:
레이저 가공을 수행하기 위해, 공작물(104)의 재료(102)에 포커스 요소(120)들이 적용되고 포커스 요소(120)들은 재료(102)를 통해 공작물(104)에 대해 이동 방향(126)으로 이동된다.
여기서 재료(102)는 포커스 요소(120)들이 각각 형성되는 빔들의 파장에 대해 투과성 재료이다. 재료(102)는 예를 들어 유리 재료이다.
재료(102)에 포커스 요소(120)들을 적용함으로써 가공 라인(136)을 따라 배열된 재료 변형(146)들이 재료(102)에 형성된다. 도 6에 도시된 예에서, 재료 변형(146)들은 두께 방향(134)으로 배향된 재료(102)의 두께(D)에 걸쳐 연속적으로 형성된다.
미리 정해진 궤적(150)을 따라 재료(102)에 대해 포커스 요소(120)들을 상대 이동시킴으로써, 가공 라인(136)에 대응하는 가공 표면(152)이 형성되고, 이 가공 표면에 재료 변형(146)들이 배열된다. 이는 가공 표면(152)을 따라 재료 변형(146)들의 편평한 설계 및/또는 배열을 가져온다.
이동 방향(126)으로 인접한 재료 변형(138)들의 거리는 예를 들어 입력 레이저 빔(108)의 펄스 지속 시간의 설정에 의해 및/또는 이동 속도의 설정에 의해 정의될 수 있다.
가공 표면(152)을 따라 형성된 재료 변형(146)들은 특히 재료(102)의 강도 감소를 가져온다. 이는 재료 변형(146)들이 가공 표면에 형성된 후에 재료(102)가 예를 들어 기계적 힘을 가함으로써, 2개의 서로 다른 공작물 세그먼트(154a 및 154b)들로 분리될 수 있게 한다(도 6b).
도시된 예에서, 공작물 세그먼트(154b)는 가공 라인(136)의 형상에 대응하는 원하는 가장자리 형상을 갖는 물품 세그먼트이다. 이 경우, 공작물 세그먼트(188b)는 남은 공작물 세그먼트 및/또는 폐기물 세그먼트이다.
공작물(104)의 재료(102)는 예를 들어 석영 유리이다. 예를 들어, 유형 I 및/또는 유형 II 변형으로서 재료 변형(146)들을 형성하기 위해, 포커스 요소(120)들이 형성되는 레이저 빔은 1030nm의 파장과 1ps의 펄스 지속 시간을 갖는다. 또한, 포커싱 광학 유닛(118)에 할당된 개구수는 0.4이고 단일 포커스 요소(120)에 할당된 펄스 에너지는 50 내지 200nJ이다.
유형 III 변형으로서 재료 변형(146)들을 형성하기 위해, 단일 포커스 요소(120)에 할당된 펄스 에너지는 500 내지 2000 nJ이고, 그 외 파라미터들은 동일하다.
α: 받음각
d: 거리
d0: 거리
dmax: 최대 거리
dr: 거리 범위
dr1: 거리 범위
dr2: 거리 범위
drm: 중심 거리
D: 두께
I: 강도
I1: 강도
I2: 강도
L: 오버행 길이
x0: x 방향에서의 위치
z0: y 방향에서의 위치
100: 장치
102: 재료
104: 공작물
106: 빔 분할 요소
108: 입력 레이저 빔
110: 레이저 소스
112: 빔 단면
114: 파면
116: 부분 빔들
116a: 부분 빔
116b: 부분 빔
118: 포커싱 광학 유닛
120: 포커스 요소들
120a: 포커스 요소
120b: 포커스 요소
120c: 포커스 요소
121: 포커스 분포
122: 빔 성형 장치
124: 빔 전파 방향
126: 이동 방향
128: 편광 빔 분할 요소
130: 제 1 외부면
132: 제 2 외부면
134: 두께 방향
136: 가공 라인
138: 재료 변형
140: 섹션
140a: 제 1 섹션
140b: 제 2 섹션
140c: 제 3 섹션
142: 섹션
144: 끝점/끝부분
146: 재료 변형
148: 균열
150: 궤적
152: 가공 표면
154a: 공작물 세그먼트
154b: 공작물 세그먼트

Claims (15)

  1. 레이저 가공을 위해 투과성 재료(102)를 포함하는 공작물(104)의 레이저 가공 방법으로서, 입력 레이저 빔(108)은 빔 분할 요소(106)에 의해 다수의 부분 빔(116)들로 분할되고, 상기 빔 분할 요소(106)에 의한 상기 입력 레이저 빔(108)의 분할은 상기 입력 레이저 빔(108)의 빔 단면(112)에 대한 위상 부과에 의해 수행되고, 상기 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔(116)들은 포커싱 광학 유닛(118)에 의해 포커싱되고, 상기 부분 빔(116)들의 포커싱에 의해 다수의 포커스 요소(120)들이 형성되고, 상기 공작물(104)의 상기 재료(102)에는, 레이저 가공을 위해, 형성된 포커스 요소(120)들의 적어도 하나의 서브세트가 적용되는, 상기 레이저 가공 방법에 있어서,
    상기 위상 부과는, 상기 형성된 포커스 요소(120)들 중 적어도 2개가 서로 다른 강도(I)를 갖도록, 상기 빔 분할 요소(106)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 포커스 요소(120)들의 강도(I)는, 상기 재료(102)에 포커스 요소(120)들을 적용함으로써 유사한 재료 변형(138)들이 상기 재료(102)에 생성되도록 선택되고, 특히 각각의 포커스 요소(120)들과 상기 각각의 포커스 요소(120)들에 가장 가까운 상기 공작물(104)의 외부면(130, 132) 사이의 거리(d0)에 관계없이, 유사한 재료 변형(138)들이 상기 재료(102)에 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 포커스 요소(120)들의 강도(I)는, 각각의 포커스 요소(120)들이 상기 공작물(104)의 외부면(130, 132), 특히 상기 각각의 포커스 요소(120)에 가장 가까운 상기 공작물(104)의 외부면(130, 132)으로부터 이격되어 있는 거리(d0) 및/또는 거리 범위(dr)에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 포커스 요소(120)들의 강도(I)는 각각의 포커스 요소(120)들과 상기 공작물(104)의 가장 가까운 외부면(130) 사이의 거리(d0)가 증가함에 따라 점점 더 크게 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 특정 거리 범위(dr)에 할당된 각각의 포커스 요소(120)들의 평균 강도(I)는 상기 공작물의 가장 가까운 외부면(130, 132)으로부터 각각의 거리 범위(dr)의 중심 거리(drm)가 증가함에 따라 점점 더 크게 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 거리 범위(dr)가 제공되고, 상기 적어도 하나의 거리 범위(dr) 내에 있는 각각의 포커스 요소들의 강도(I)는 적어도 대략 일정한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 거리 범위(dr)가 제공되고, 상기 적어도 하나의 거리 범위(dr) 내에 있는 각각의 포커스 요소(120)들의 강도(I)는 변화하며, 특히 상기 거리 범위(dr) 내에 있는 상기 포커스 요소(120)들의 강도(I)는 상기 포커스 요소(120)들과 상기 공작물(104)의 가장 가까운 외부면(130, 132) 사이의 거리(d)가 증가함에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 다른 포커스 요소(120)들은 미리 정해진 가공 라인(136)을 따라 배열되고, 특히 서로 다른 포커스 요소(120)들은 상기 가공 라인(136)을 따라, 상기 포커스 요소(120)들을 상기 공작물(104)의 상기 재료(102)에 적용함으로써 재료 변형(138)들이 상기 재료(102)에 형성되고 상기 재료 변형들이 상기 가공 라인(136)을 따른 상기 재료(102)의 분리를 가능하게 하도록, 이격되어 있고 및/또는 그러한 강도(I)를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 포커스 요소(120)들이 레이저 가공을 위해 상기 공작물(104)의 상기 재료(102) 내로 결합되는, 상기 가공 라인(136)과 상기 공작물(104)의 외부면(130, 132) 사이의 받음각(α)은 적어도 1° 및/또는 최대 90°인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성된 포커스 요소(120)들 중 하나 이상은 상기 공작물(104)의 레이저 가공 중에 적어도 부분적으로 및/또는 적어도 일시적으로 상기 공작물(104)의 상기 재료(102) 외부에 배열되거나 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 편광 빔 분할 요소(128)에 의해 편광 빔 분할은, 상기 부분 빔(116)들이 적어도 2개의 서로 다른 편광 상태들 중 하나를 갖도록 수행되고, 상기 포커싱 광학 유닛(118)을 사용한 상기 부분 빔(116)의 포커싱에 의해 서로 다른 편광 상태들을 갖는 포커스 요소(120)들이 형성되고, 특히 서로 다른 편광 상태들을 갖는 포커스 요소(120)들은 서로 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(104)의 상기 재료(102)에 상기 포커스 요소(120)들을 적용함으로써 상기 재료(102)의 균열 형성과 관련된 재료 변형(138)들이 상기 재료(102)에 형성되고, 및/또는 상기 공작물(104)의 상기 재료(102)에 상기 포커스 요소(120)들을 적용함으로써 유형 III 재료 변형(138)들이 상기 재료에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(104)의 상기 재료(102)에 상기 포커스 요소(120)들을 적용함으로써 상기 재료(102)의 굴절률 변화와 관련된 재료 변형(138)들이 상기 재료(102)에 형성되고, 및/또는 상기 공작물(104)의 재료(102)에 상기 포커스 요소(120)들을 적용함으로써 유형 Ⅰ 재료 변형(138)들 및/또는 유형 II 재료 변형(138)들이 상기 재료에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  14. 레이저 가공을 위해 투과성 재료(102)를 포함하는 공작물(104)의 레이저 가공 장치로서, 빔 분할 요소(106)로 결합된 입력 레이저 빔(108)을 다수의 부분 빔(116)들로 분할하기 위한 빔 분할 요소(106)를 포함하며, 상기 빔 분할 요소(106)에 의한 상기 입력 레이저 빔(108)의 분할은 상기 입력 레이저 빔(108)의 빔 단면(112)에 위상 부과에 의해 수행되고, 상기 빔 분할 요소(106)로부터 분리된 부분 빔(116)들의 포커싱을 위한 포커싱 광학 유닛(118)을 포함하며, 상기 부분 빔(116)들의 포커싱에 의해 상기 공작물(104)의 레이저 가공을 위한 다수의 포커스 요소(120)들이 형성되는, 상기 레이저 가공 장치에 있어서,
    상기 빔 분할 요소(106)에 의해 상기 위상 부과는, 형성된 포커스 요소(120)들 중 적어도 두 개는 서로 다른 강도(I)를 갖는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 빔 분할 요소(106)에 의한 상기 입력 레이저 빔(108)의 분할은 위상 조작에 의해, 특히 상기 입력 레이저 빔(108)의 위상 조작에 의해서만 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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