TW201621400A - 繞射光學光束成形元件 - Google Patents

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Abstract

一種繞射式光學光束成形元件，用於施加相位曲線(1043)至用於對材料作雷射處理的雷射光束上，此光束成形元件具有平坦地形成的相位遮罩，其形成為用於施加多個光束成形用的相位曲線至入射至該相位遮罩上的雷射光束。所述多個光束成形用的相位曲線之至少一個對應於一虛擬之光學影像，其可成像在一拉長的聚焦區中以使一修飾形成在待處理的材料中。多個此種拉長的聚焦區可在空間中擴充且互相干擾，以便在該材料中修飾強度曲線且產生例如不對稱的修飾區。

Description

繞射式光學光束成形元件
本發明涉及一種繞射式光學元件，其在光學系統中用於雷射光束之光束成形且特別是用於雷射光束之光束成形以處理各種可廣泛透過雷射光束的材料。此外，本發明亦涉及雷射材料處理的方法。
使用光的吸收以處理工件之可能方式，特別是藉由施加局部化的修飾於工件中，是多樣化的。因此，所謂體吸收，亦即，不限於表面的吸收，揭示一種對可廣泛透過雷射光束、不易碎的材料之處理的可能方式。通常，體吸收係藉由非線性的吸收方式來促成，其中首先在與材料有關的(門檻(threshold))強度中與材料進行交互作用。
所謂非線性吸收此處是指光之與強度有關的吸收，其主要不是以光的直接吸收為主。取而代之的是，其在與入射的光(大部份是時間有限的雷射脈波)交互作用時以吸收的提高為主。因此，電子可藉由相反的制動輻射(braking radiation)而吸收很多能量，以藉由撞擊而釋出其它電子，使電子的產生速率超過電子的重組速率。在某種條件下，崩潰式吸收所需的起始電子可在開始時已存在或經由現存的剩餘吸收以藉由線性吸收而產生。例如，在奈秒(ns)雷射脈波中一種初始離子化會導 致溫度升高，藉此使自由電子之數目提高且因此使隨後的吸收率提高。在其它條件下，此種起始電子可藉由多光子或穿隧(tunnel)離子化而產生以作為習知之非線性吸收機構之範例。因此，在例如具有次(sub)奈秒脈波期間之超短雷射脈波中，可使用崩潰方式以產生電子。
在可廣泛透過雷射光束的材料(此處可簡稱為透光材料)中，體吸收可用於在一種拉長的聚焦區中形成該材料之修飾。此種修飾可使該材料分離、鑽孔或結構化。例如，可產生一列修飾以進行分離，其在所述修飾內部或沿著所述修飾造成斷裂。此外，為了分離、鑽孔和結構化而產生多種修飾已為人所知，該些修飾可對已修飾之區域造成選擇性的蝕刻(SLE：selective laser etching)。
拉長的聚焦區之產生可藉助於無可爭辯的貝色(Bessel)光束(此處亦簡稱為類(quasi)貝色光束)來達成。此種光束外形(profile)例如能以轉向鏡(Axicon)或空間光調變器(SLM：spatial light modulator)及具有高斯(Gauss)光束外形之入射的雷射光束來形成。隨後在一透光工件中的成像導致體吸收所需的強度。類(quasi)貝色光束就像貝色光束那樣通常具有一種在工件中存在的光束外形之遠場中成環形的強度分佈。例如，以空間光調變器(SLM)來算出類(quasi)貝色光束於光束成形時的相位曲線描述在Leach等之"Generation of achromatic Bessel beams using a compensated spatial light modulator," Opt.Express 14,5581-5587(2006)中。
此外，例如藉助於多聚焦透鏡以使強度提高區形成一列的配置已為人所知。因此，在遠場(即，聚焦區)中使待聚焦的雷射光束之相位受到影響，其會造成縱向偏移的聚焦區。
本發明的目的是公開一種樣態(aspect)以提供一種繞射式光學光束成形元件，其可對制定的體吸收達成一種光束成形。本發明的目的特別是在雷射處理之應用中對透光工件之處理提供一種在光束傳送方向中具有高的縱橫比(aspect ratio)之拉長的細長光束外形。
本發明的上述目的之至少一目的係藉由請求項1之繞射式光學光束成形元件、請求項10之光學系統、請求項12之雷射處理設備、請求項22之用於雷射光束之材料處理的方法來達成。其它形式描述在附屬之請求項中。
在一種樣態中，繞射式光學光束成形元件具有(平坦地形成之)相位遮罩，以施加相位曲線至用於材料之雷射處理的雷射光束上，該相位遮罩形成為用於施加多個光束成形用的相位曲線至入射至該相位遮罩上的雷射光束。所述多個光束成形用的相位曲線之至少一個對應於一虛擬之光學影像，其可成像在拉長的聚焦區中以使一修飾形成在待處理的材料(9)中。
本發明的另一樣態中，用於雷射光束之光束成形的光學系統係在一共同於傳送方向中拉長的聚焦區中藉由材料之修飾來處理特殊之透光材料，此光學系統 具有上述繞射式光學光束成形元件及近場透鏡，其在光束向下方向中配置在距該繞射式光學光束成形元件為一光束成形距離處且形成為用於將雷射光束聚焦在聚焦區中。因此，多個光束成形用的相位曲線之至少一已施加之相位曲線可使一拉長之聚焦區的位於該繞射式光學光束成形元件之前的虛擬之光學影像對應於雷射光束。該光束成形距離等於雷射光束之傳送長度，其中所述多個光束成形用之相位曲線將橫向的輸入強度外形轉換成近場透鏡之區域中之橫向的輸出強度外形。橫向的輸出強度外形在與輸入強度外形比較下特別是具有至少一位於一光束軸外部的局部最大值。
在另一樣態中，本發明揭示以雷射光束藉由材料之修飾對特殊之透光材料作材料處理的方法，其具有以下步驟：
在雷射光束之橫向的輸入強度外形上施加多個光束成形用之相位曲線，其中所施加的多個光束成形用之相位曲線之至少一個可使一拉長之聚焦區的虛擬之光學影像對應於雷射光束；經由光束成形距離而傳送雷射光束，然後，所施加的多個光束成形用之相位曲線將橫向的輸入強度外形轉換成橫向的輸出強度外形，使橫向的輸出強度外形在與輸入強度外形比較下具有特別是至少一位於光束軸外部的局部最大值；使雷射光束聚焦在聚焦區中以便在對應於該虛擬之光學影像之拉長的聚焦區發生重疊、擴充及/或干擾的情況下形成一種以該輸出強度外形為主的近場，該拉長的聚焦區具有至少另一 聚焦區，其源自所述多個光束成形用之相位曲線之至少另一相位曲線。
此處，揭示多種允許對先前技術的至少一部份作改良的概念。特別是，依據圖式由以下的實施形式的描述而得到其它特徵及其適用性。以下說明各圖式。
1‧‧‧光學系統
3,3’‧‧‧雷射光束
5‧‧‧傳送方向
7‧‧‧聚焦區
9‧‧‧材料
11‧‧‧雷射光源
13‧‧‧光束製備單元
21‧‧‧雷射處理設備
23‧‧‧載體系統
25‧‧‧工件儲存單元
23A‧‧‧橫向載體
27‧‧‧支架配置
29‧‧‧旋轉軸
31‧‧‧光束成形元件
31A‧‧‧空間光調變器
31B‧‧‧DOE
31C‧‧‧二元之DOE
33‧‧‧成像系統
33A‧‧‧遠場透鏡
33B‧‧‧近場透鏡
41‧‧‧輸入強度外形
43‧‧‧相位曲線
45‧‧‧光束軸
49‧‧‧局部最大值
Dp‧‧‧光束成形距離
51‧‧‧輸出強度外形
53‧‧‧虛擬之光學影像
55A,B‧‧‧光束區
57A,A’,A”,B‧‧‧徑向之強度曲線
61‧‧‧縱向之強度曲線
61A‧‧‧強度上升曲線
61B‧‧‧強度下降曲線
63‧‧‧X-Z-切面
65，565‧‧‧修飾區
71‧‧‧強度提高區
73‧‧‧光束成形透鏡
75‧‧‧望遠鏡系統
77‧‧‧聚焦區
79‧‧‧遠場透鏡
81‧‧‧強度分佈曲線
81A‧‧‧強度上升曲線
81B‧‧‧延伸的下降曲線
85A,B,...‧‧‧光束區
87A,A’,A”,B‧‧‧實際的強度曲線
131A‧‧‧中空錐體-轉向鏡
131B‧‧‧中空錐體-轉向鏡-透鏡-系統
131C‧‧‧轉向鏡-鏡面-系統
133A‧‧‧平凸透鏡
133B‧‧‧凸透鏡面
140‧‧‧轉向鏡
153A,153B,153C‧‧‧類-貝色-光束外形
203A‧‧‧相位調變之光束
203B‧‧‧非相位調變之光束成份
220‧‧‧濾波器-單元
222‧‧‧濾波器-單元
230‧‧‧轉向
243‧‧‧相位曲線
249‧‧‧強度最大值
251‧‧‧輸出強度外形
252‧‧‧非相位調變之光束成份
253‧‧‧虛擬之光束形式
303A‧‧‧相位調變之成份
303B‧‧‧非相位調變之成份
310‧‧‧掃描器-鏡面
333B‧‧‧近場透鏡
340‧‧‧聚焦平面
fF‧‧‧遠場焦距
fN‧‧‧近場焦距
350‧‧‧焦點
400‧‧‧透鏡
403A‧‧‧相位調變之光束成份
403B‧‧‧非相位調變之光束成份
549‧‧‧環形結構
551‧‧‧輸出強度外形
561‧‧‧平坦頂部強度分佈
661A,661B,661C‧‧‧強度最大值
707‧‧‧聚焦區(艾里-光束)
743‧‧‧相位曲線
751‧‧‧輸出強度外形
807A‧‧‧虛擬影像之拉長的聚焦區
807B‧‧‧實際強度提高區之聚焦區
807C‧‧‧非相位調變光束之焦點
833‧‧‧望遠鏡系統
833A‧‧‧遠場透鏡
833B‧‧‧近場透鏡
853‧‧‧虛擬之影像
871‧‧‧實際強度提高區
930,932‧‧‧相位曲線
930A,932A‧‧‧中央區段
930B,932B‧‧‧環形區段
934A,936A‧‧‧在Z-方向中變寬的暗區
934B,936B‧‧‧亮的環形光束區
940A,...C‧‧‧光束外形
942A,...C‧‧‧強度曲線
947A,947B‧‧‧陡峭的側緣
948A,948B‧‧‧緩慢下降的側緣
949A,949B‧‧‧強度環
961‧‧‧干擾最大值
963‧‧‧ZR-切面
965‧‧‧修飾區
965A‧‧‧修飾區
970‧‧‧相位曲線
970A‧‧‧X-區段
970B‧‧‧Y-區段
971A‧‧‧強度曲線
971B‧‧‧強度外形之區段
972A,972B‧‧‧環形區段
973A‧‧‧ZX-方向中的切面
973B‧‧‧ZY-方向中的切面
975‧‧‧強度最大值
1043‧‧‧相位曲線
1010A‧‧‧暗的中央區
1010B‧‧‧亮的強度區
1034‧‧‧干擾結構
1051‧‧‧遠場振幅分佈
1007A,1007B‧‧‧聚焦區
1050‧‧‧中間區
1040A...C‧‧‧光束外形
1042A...C‧‧‧強度曲線
1047‧‧‧陡峭的側緣
1048‧‧‧緩慢下降的側緣
Ep‧‧‧脈波能量
μ,x,y,z,r‧‧‧座標
△X‧‧‧偏移
第1圖係用於雷射光束之光束成形的光學系統之示意圖。
第2圖係具有第1圖之光學系統的雷射處理設備之示意圖，其用於材料處理。
第3圖係用於說明光學之作用方式的光學系統之示意圖。
第4圖係在虛擬的光學影像成像之後在拉長的聚焦區中縱向之強度分佈的範例。
第5圖係第4圖中所示之縱向之強度分佈的ZR-切面。
第6圖係依據第4圖和第5圖在拉長的聚焦區中用於修飾透光材料之舉例式的實驗研究。
第7圖係用於說明實際的強度提高區之產生和成像之示意圖。
第8圖係依據第7圖在實際的強度提高區之成像之後在拉長的聚焦區中縱向之強度分佈的範例。
第9圖至第11B圖係以傳送式或反射式轉向鏡為主之光學系統的範例之示意圖。
第12圖係以空間光調變器為主之光學系統的範例之示意圖。
第13圖係以傳送式繞射式光學元件為主之光學系統的範例之示意圖。
第14圖係依據第13圖之光學系統在繞射式光學元件中相位曲線的範例之示意圖。
第15圖係第13圖之光學系統中輸出強度外形之舉例式的強度橫切面。
第16圖係第15圖所示之強度橫切面之輸出強度外形的XY俯視圖。
第17圖係具有非相位調變之光束成份的光學系統之範例之示意圖。
第18圖係以繞射式光學元件為主之光學系統的範例之示意圖，其對相位調變之光束成份的分離具有線性之相位貢獻。
第19圖係具有掃描裝置之光學系統的範例之示意圖。
第20圖係用於說明光學系統之成像系統的示意圖。
第21圖係在會聚的雷射光束入射時用於說明光學系統之示意圖。
第22圖係用於說明一種具有發散適應性的光學系統之示意圖。
第23圖係用於產生平坦頂部強度外形之光學系統中一輸出強度外形之舉例式的強度橫切面。
第24圖係第23圖中所示之強度橫切面之輸出強度外形的XY俯視圖。
第25圖係由第23圖和第24圖之輸出強度外形產生之縱向強度分佈之範例。
第26圖係依據第25圖在拉長的聚焦區中用於修飾透光材料之舉例式的實驗研究。
第27圖係在使用多焦點近場透鏡下縱向的強度分佈之範例。
第28圖係用於產生相反的艾里光束形式的光束外形之相位曲線的範例之示意圖，其中繞射式光學元件使用在第13圖之光學系統中。
第29圖係依據第28圖產生相反的艾里光束形式的光束外形時所用之輸出強度外形之舉例式的強度橫切面。
第30圖係第29圖中所示之強度橫切面之輸出強度外形的XY俯視圖。
第31圖係針對依據第28圖之相位曲線所產生之相反的艾里光束形式的光束外形在拉長的聚焦區中之縱向的強度分佈之範例。
第32圖係在虛擬影像之成像與實際的強度提高區之成像相組合時用於說明的示意圖。
第33A圖至第33D圖係在相反的類貝色光束由光束成形元件傳送至近場透鏡時的光束輪廓。
第34圖係用於解釋第33A圖至第33D圖之光束外形之位置時沿著光束軸Z之一個切面而形成的振幅曲線。
第35A圖和第35B圖係徑向區段式的相位曲線。
第36圖係根據第35B圖所示振幅曲線在施加相位且由光束成形元件傳送至近場透鏡時沿著光束軸Z所形成的切面圖。
第37A圖至第37C圖係根據第35B圖所示在施加相位且z=10mm、z=50mm及z=200mm時之光束外形。
第38A圖至第38C圖係根據第35B圖所示在施加相位且z=10mm、z=50mm及z=200mm時之橫向的強度曲線。
第39圖係根據第35B圖所示在施加相位時拉長的聚焦區中縱向的強度分佈。
第40圖係第39圖中所示之縱向的強度分佈之ZR切面。
第41圖係根據第39圖和第40圖所示在拉長的聚焦區中用於修飾透光材料之舉例式的實驗研究。
第42圖係方位角區段的相位曲線。
第43圖係根據第42圖所示在施加相位時舉例式的強度橫切面。
第44圖係第43圖所示之強度橫切面的輸出強度外形之XY俯視圖。
第45圖係根據第42圖所示在施加相位時拉長的聚焦區之ZX切面。
第46圖係根據第42圖所示在施加相位時拉長的聚焦區之ZY切面。
第47圖係相位曲線以用於產生二個橫向偏移之相反的類貝色光束外形。
第48圖係根據第47圖所示振幅曲線在施加相位且由光束成形元件傳送至近場透鏡時沿著光束軸Z所形成的切面圖。
第49圖係根據第47圖所示在施加相位時輸出強度外形之XY俯視圖。
第50圖係根據第47圖所示在施加相位時拉長的聚焦區之ZX切面。
第51A圖至第51C圖係根據第47圖所示在施加相位且z=10mm、z=100mm及z=150mm時之光束外形。
第52A圖至第52C圖係根據第47圖所示在施加相位且z=10mm、z=100mm及z=150mm時X-方向中橫向的振幅曲線。
此處所述的樣態之一部份係基於以下的認知：由於在雷射處理時所需的高強度，則在準備雷射光束時強度可已經存在著，其會使光學元件受損。有鑑於此，則另外確認：工件中拉長的聚焦區之產生可基於虛擬之光束外形的成像。藉由虛擬之光束外形之成像的此種概念，則可在光學系統中使具有強度尖峰之區域減少甚至消失。另外，確認：一種配屬於該虛擬之光束外形的相位曲線可施加至雷射光束，該相位曲線使遠場中的強度分佈發生所期望的變化。特別是可確認：藉由來自於此種虛擬之光束外形的遠場份佈，則例如可在聚焦區 中產生相反的類貝色光束形式或相反的類艾里光束形式的強度曲線、特殊設計之強度曲線且特別是這些曲線之疊加。在此種強度曲線中可在聚焦區中進行橫向的能量載入，其特別允許透光材料的處理。此外，可確認：在與實際的強度提高區之成像用的系統相比較下，虛擬之光束外形之成像的概念可導致此種光學系統之較短的構造形式。
拉長的聚焦區此處係與藉由光學系統所決定的三維強度份佈有關，該三維強度份佈確定待處理的材料中交互作用之空間範圍且因此確定該修飾之空間範圍。拉長的聚焦區因此確定一種拉長的區域，其中在待處理的材料中存在通量/強度，其大於與處理/修飾相關的門檻通量/強度。通常，針對目標門檻強度而言三維強度份佈之特徵是至少10：1，例如，20：1及更大或30：1及更大，的縱橫比(傳送方向中的範圍與橫向範圍之比)時，拉長的聚焦區將被提及。此種拉長的聚焦區會對具有近似的縱橫比之材料作修飾。在一些實施形式中，例如亦可在傳送方向中形成互相平行延伸的聚焦區，其中每一聚焦區都具有相同的縱橫比。通常，在此種縱橫比中，聚焦區上(有效的)強度分佈之橫向範圍之最大變化係在50%及更小的範圍中，例如，20%及更小，例如，在10%及更小的範圍中。
因此，在拉長的聚焦區中，能量基本上可在整個長度上橫向地傳送至受影響的修飾。這會有以下的結果：在修飾區之初始區中該材料之修飾對雷射光束之 一部份不具有或至少幾乎不具有遮蔽效果，該部份在光束向下方向(即，例如，在修飾區之末端區)中對該材料進行修飾。在此種概念上，高斯光束不會產生類似之拉長的聚焦區，此乃因能量傳送基本上係在縱向中進行而不是在橫向中進行。
可廣泛透過雷射光束的透光材料之透明度此處係與線性吸收有關。就低於門檻通量/強度之光而言，可廣泛透過雷射光束的透光材料例如在直至修飾區之後方末端為止的長度上例如可吸收少於20%或甚至少於10%之入射光。
此處所述樣態的一部份另外係基於以下的認知：例如，藉由繞射式光學元件(DOE)來達成的明確之光束成形，則可在材料中制定自由電子之由非線性吸收所產生的密度。沿著這樣所產生的修飾區，可明確地導引裂縫之形成，其可造成工件之分離。
此處所述樣態的一部份另外係基於以下的認知：對一繞射式光學元件(DOE)而言，相位遮罩之相位曲線中例如在對應的區段中可設置多個相位曲線。藉此，則在疊加多個虛擬之光學影像(縱向中或橫向中)之成像時，特別可使用例如相反的類貝色光束形式的光束外形之此種虛擬之光學影像的概念之優點，這樣亦可使多個成像之交互作用(例如干擾)和空間之排列(constellation)對共同聚焦區的形成發生作用。此外，可確認：可產生這樣所造成的非對稱之「共同」聚焦區，其例如在材料處理時對特定的進給方向或特定的分離方向提供優先方 向。此外，可確認：此種優先方向在雷射處理時可藉由光學系統內部中繞射式光學元件(DOE)之對準/旋轉而依據所期望的處理軌跡來調整。此外，對數位式相位遮罩(SLMs等)而言，可對相位曲線進行直接的控制，以再調整該優先方向。
此處所述樣態的一部份另外係基於以下的認知：藉由使用繞射式光學元件(DOE)，可將額外的相位曲線施加至光束，其例如使以此為基礎的光學系統之構造簡化及/或使有效光束成份的隔離簡化。
換言之，先前技術之缺點在一些實施形式中藉由透鏡概念而被消除了至少一部份，其中位於工件區中的、在傳送方向中拉長的光束外形藉由所產生的虛擬光束外形之成像而形成。在一些實施形式中，透鏡概念另外允許例如在光束外形之傅立葉(Fourier)平面之區域中可對不期望的光束成份進行濾波且允許光束形式由聚焦區分離。
由上述確認所造成的系統和方法另外亦可以較高的速率且在刀刃有較佳品質下使不易碎的透光材料分離。此外，所述系統和方法允許一種分離而不會有一種像剝離方法中產生的磨銳角(taper angle)。特別是在以非剝離的修飾為主之分離中，亦不會造成剝離或只造成小的剝離，結果是：材料在處理後在表面上只有很少的粒子。
關於第1圖至第8圖，以下通常會詳述以上述論述為基礎之光學概念。然後，說明光學系統之舉例 式的實施形式，其一方面藉由傳統之光學鏡頭(例如，透鏡和鏡面)來使用光學系統(請參閱第9圖至第11B圖)且另一方面藉由繞射式光學元件來使用光學系統(請參閱第12圖至第16圖)。在與第17圖至第22圖相關聯下，將詳述光學系統與各種濾波和掃描用的組件、樣態之可組合性以及光學系統中光束曲線之一般樣態。然後，在與第23圖至第32圖相關聯下，顯示拉長的聚焦區之舉例式的構成以用於材料處理，其特別是可以繞射式光學元件來達成。依據第33A圖至第33D圖及第34圖，在相反的類貝色光束由光束成形元件傳送至光學系統中的近場透鏡時詳述光束外形和縱向的振幅曲線。
在其餘的圖式中設定一些概念，其涉及例如在縱向偏移的聚焦區中相反的類貝色光束之干擾(第35A圖至第41圖)且由於方位角的區段化(第42圖至第46圖)及橫向偏移的相位曲線(第47圖至第52C圖)而形成橫向的不對稱。
第1圖顯示用於雷射光束3之光束成形的光學系統1之示意圖，其目的是在待處理的材料9中產生一種在傳送方向5中拉長的聚焦區7。通常，雷射光束3由光束參數來決定，光束參數例如包括波長、光譜寬度、隨時間而變的脈波形式、脈波群組(group)的形成、光束直徑、橫向的輸入強度外形、橫向的輸入相位外形、輸入發散性及/或極化。依據第1圖，雷射光束3傳送至光學系統1以進行光束成形，即，對一個或多個光束參數進行轉換。通常，在雷射材料處理時，雷射光束3類似 於一種準直的高斯光束，其具有橫向的高斯強度外形，其由雷射光源11(例如，超短波高功率雷射系統)產生。上述轉換例如可在相反的貝色光束形式或相反的艾里光束形式的光束外形中進行。
第2圖所示的雷射處理設備21中，光學系統1例如可用於材料處理。雷射處理設備21具有載體系統23和工件儲存單元25。載體系統23覆蓋工件儲存單元25且承載雷射系統11，其在第2圖中例如整合在載體系統23之上(upper)橫向載體23A中。此外，光學系統1在X方向中可運行地安裝在橫向載體23A上，使二個組件在位置上互相靠近地配置著。在另一實施形式中，例如雷射系統11可設置成特有的外部單元，其雷射光束3藉由光導纖維而傳送至光學系統1或以自由光束傳送。
工件儲存單元25承載一在X-Y平面中延伸的工件。此工件是待處理的材料9，例如，玻璃圓盤或可使所使用的雷射波長廣泛透過的圓盤，其以陶瓷或晶體(例如，藍寶石或矽)構成。工件儲存單元25允許工件在Y方向中相對於載體系統23而運行，以便在與可運行的光學系統1組合時可使用一在X-Y平面中延伸的處理區。
依據第2圖，例如在光學系統1或橫向載體23A之Z方向中另外預設一種可移動性，以便可對至工件的距離作調整。對Z方向中延伸的切面而言，雷射光束通常亦在Z方向(即，垂直)中對準該工件。當然，亦可準備其它的處理軸，就像第2圖中例如由支架配置27 和額外的旋轉軸29所述那樣。相對而言，支架配置27在第2圖之實施形式中是可任意選擇的(optional)。此外，在較高的動態時，可設有冗餘的(redundant)附加軸，這樣例如可使緊密的、且因此而構想出的組件加速，但該工件或光學系統不會加速。
雷射處理設備21另外具有未明顯地顯示在第1圖中的控制器，其例如整合在載體系統23中且特別是具有一種介面以便由使用者輸入多種操作參數。通常，該控制器包括多個元件以控制雷射處理設備21之電機組件、機械組件和光學組件，這例如藉由控制對應的操作參數來達成，該些操作參數例如泵雷射功率、冷卻功率、雷射設備及/或工件支持件之方向和速率、光學元件(例如，SLM)調整用的電性參數及光學元件之空間對準(例如用於旋轉該光學元件)。
雷射處理設備以不同的自由度所形成的其它配置例如已揭示在EP 1 688 807 A1中。通常，小的工件中常常只移動該工件且在較大的工件中只移動雷射光束或如第2圖所示移動該工件和雷射光束。此外，可提供二個或更多個光學系統且因此可提供雷射系統11之聚焦區。
例如，可使用材料中由雷射處理設備產生的修飾來鑽孔、以感應的電壓來切割、焊接、達成折射特性之修飾、或用於選擇性的雷射蝕刻。因此，可適當地控制該修飾之幾何形狀和種類是重要的。於是，除了像雷射波長、隨時間而變的脈波形式、脈波數目、能量和 在一產生各別修飾之脈波群組中脈波之隨時間而變的距離、以及脈波能量或脈波群組能量之類的參數以外，光束形式亦扮演決定性的角色。
特別是，拉長的體修飾允許在唯一的步驟中在光束傳送方向中縱向擴展的體區域上進行處理。特別是在進給方向中的一位置上在只有唯一的修飾處理步驟中於大範圍上進行處理。藉由使用此處所述的光學系統、光束形式和方法，則一方面可達成較佳的處理結果(請比較在進給方向的一位置上於依順序的修飾處理步驟中先後設置的單獨修飾)，另一方面，處理時間及對系統技術的需求可下降。因此，對單獨修飾而言出現多個處理步驟，其提高了時間上的耗費且使單獨修飾之相對狀態需要昂貴的安全設定。
此外，在處理不平坦的材料時拉長的聚焦區是有益的，此乃因沿著拉長的聚焦區基本上大多具有相同的雷射處理條件，使得在此種實施形式中不需在傳送方向中進行再導引或只在待處理的材料之位置的偏離大於拉長的聚焦區的長度之後(考慮所需的處理/侵入深度)才需要，
通常，拉長的體吸收適用於透光材料的處理，使得一進行吸收之後，該吸收本身或所造成之材料特性的變化會影響雷射光束的傳送。因此，當工作中應較深地(即，光束傳送方向中光束向下)造成一種修飾所需的光束成份基本上未經由重大吸收的區域時是有利的。
換言之，在一種角度下將修飾用的繼續向下的光束成份再導引至交互作用區是有利的。此處的一範例是類貝色光束，其中存在環形的遠場分佈，其環寬度典型上小於半徑。交互作用區之光束成份基本上是與該角度成旋轉對稱地傳送著。這同樣適用於此處所述之相反的類貝色光束或其修飾和增補，例如，均勻之或調變之相反的類貝色光束。另一範例是加速之相反的「類艾里(Airy)光束形式的」光束，其中光束成份是在一種偏移角度(offset angle)下傳送至該修飾，這明確地在切線上及(不是像純類貝色光束中那樣旋轉對稱地)彎曲的修飾區上進行，例如，就像在彎曲之相反的類貝色光束中那樣。
此外，力求只在所力求的體區域中明顯超越非線性吸收時所需的門檻且須選擇該體區域之幾何形式，使其一方面適合所期望的應用，但另一方面亦不會明顯地干擾對更下方之體區域的傳送。例如，將無可爭辯的貝色光束外形之次(secondary)最大值保持在非線性吸收時所需的門檻強度之下，被認為是有利的。
鑑於進給方向中依序排列的修飾，須另外選擇已修飾的體積之幾何形式，使得排列在多個修飾之進給方向中時先前施加的修飾只對後來的修飾之形成造成小小的影響。
如上所述，在快速處理時只以一各別的雷射脈波/唯一的雷射脈波群組就可產生一各別的修飾，使得此種情況下一個位置在工件上只被運行一次。
超短脈波雷射可提供多種強度(功率密度)，其允許在較長的交互作用區中造成足夠強度的材料修飾。該修飾的幾何範圍因此須藉助於光束形式來確定，使得縱向延伸之高自由度的電子密度藉由材料中非線性的吸收而產生。較深區域中的能量供應係在橫向中達成，以便在與高斯聚焦比較時藉由電漿之先前的交互作用使遮蔽效果不會發生。例如，可產生縱向中均勻延伸的電子密度或空間中高頻調變的電子密度。
在適當的強度下，在足夠高的自由電子密度之區域中可使材料達成爆炸式的延伸，因此所產生的突擊波可產生奈米示波的電洞(奈米電洞)。各種修飾(修飾區)的其它範例是折射率變化、壓縮的及/或拉伸的應力感應區、微晶粒及局部性的化學計量變化。
就像本文開頭所述，藉由上述修飾區之累積，可在進給方向中確定一種裂縫曲線。在處理過程中，工件適當地沿著已修飾的輪廓(contour)而分離。裂縫的形成可直接隨後就達成或藉由另一處理過程而以感應式達成。例如，由未受應力的材料分離時可使用超音波或溫度助傾器(ramp)，以便沿著已修飾的輪廓而達成事後的分離。各別的修飾通常不會導致裂縫的形成。
藉助於制定的光束形式，可在材料中及已修飾的區域之間產生不同的應力分佈，以使分離過程依據所給定的材料而調整。空間的和時間的極端梯度(gradient)因此有利於微米或奈米爆炸之產生。
因此，修飾之幾何形式係依據重心由光束形式決定(且不是由像絲狀(filamentation)之類的光束來進行的非線性傳送所決定)。空間梯度之產生可藉由此處所述之光學系統來達成，時間梯度之產生可藉由脈波序列或脈波形式來達成。
通常，光束形式之強度分佈之刻度可藉由成像比例來達成，特別是藉由成像系統的近場透鏡之焦距和數值孔徑來達成。其它用於刻度之可能方式來自於額外透鏡之使用以及光束成形元件及/或遠場透鏡之移動(請參閱與第17圖至第22圖相關聯的描述)。於是，可影響工件中光束外形之橫向範圍和縱向範圍。此外，在光束通道中可使用空間濾波器和光圈來進行光束成形，以製備光束。
對光學系統和拉長之聚焦區之例如可使用在本說明書之範圍中的超短脈波雷射系統和參數而言，示例的雷射光束參數是：
脈波能量Ep：1微焦(μJ)至10毫焦(mJ)(例如20μJ至1000μJ)，
脈波群組之能量Eg：1μJ 10mJ
波長範圍：IR,VIS,UV(例如2μm>λ>200nm；例如1550nm、1064nm、1030nm、515nm、343nm)
脈波期間(FWHM)：10fs至50ns(例如200fs至20ns)
作用期間(與進給速率有關)：小於100ns(例如5ps-15ns)
任務週期(雷射脈波/脈波群組之作用期間對重複時間之比)：小於等於5%，例如，小於等於1%，
入射至光學系統時原始光束直徑D(1/e2)：例如在1毫米至25毫米之範圍中
遠場透鏡之焦距：3毫米至100毫米(例如10毫米至20毫米)
遠場透鏡之數值孔徑(NA)：0.15NA0.5
材料中光束外形之長度：大於20微米
材料中光束外形之最大橫向範圍，可能在短的方向中：小於20λ
縱橫比：大於20
傳送方向中的調變：聚焦區上大於10週期
例如就分離之應用而言二個相鄰的修飾之間的進給值dv：100nm<dv<10*進給方向中的橫向範圍
作用期間的進給：例如小於進給方向中的橫向範圍之5%
因此，脈波期間涉及雷射脈波且作用期間涉及時變區域，其中例如雷射脈波的一個群組與材料交互作用以便在一位置上形成唯一的修飾。因此，作用期間較現有的進給速率還短，使全部的雷射脈波將一個群組都貢獻至一位置上的修飾。
若工件在邊上較聚焦區還薄，則聚焦區有一部份位於該工件外部，則可造成多種修飾，其較聚焦區短。可有利地使用此種情況，以便在透鏡和工件之間的距離改變時有力地進行此種處理過程。在一些實施形式中，一種不能由全部之工件達成的修飾是有利的。特別是，可調整聚焦區的長度及/或其在工件中的位置。因此，通常須指出：由於非線性吸收時不同的門檻，則具有假想的相同強度之聚焦區會在不同材料中造成不同大小的修飾。
縱橫比涉及待處理的材料中(聚焦區之)光束外形的幾何形式以及以光束外形產生的修飾的幾何形式。在非對稱的或橫向中調變的(例如非旋轉對稱的或環形的)光束外形中，縱橫比是由最短方向中該修飾之長度對該長度範圍內產生的最大橫向範圍之比所決定。若光束外形因此在橫向中，例如，在環形之光束外形中，具有一種調變，則該縱橫比涉及最大之寬度，在環形之光束外形中因此例如涉及環的粗細。在形成多個於橫向中隔開的修飾體積時，該縱橫比涉及各別之修飾的橫向範圍。在傳送方向中調變的光束外形中(例如由於干擾)，使該縱橫比涉及優先的(precedent)總長度。
由光束成形元件和聚焦透鏡(近場透鏡)之間的距離(其特別是大於近場透鏡之焦距fN)和近場透鏡對空氣的數值孔徑NA(其大於0.15)開始，所使用之光束成形元件的角度光譜α可位於tan(α)<f*NA/d<NA/2之範圍中，且較優先的是在tan(α)>f*NA/(d*4)中。
先前所述的參數範圍在刀刃粗糙度Ra例如小於1微米時允許對例如直至5毫米及更大(典型上是100微米至1.1毫米)的材料厚度進行處理。
光學系統1另外可具有光束製備單元13以調整光束參數，例如，光束直徑、輸入強度外形、輸入發散性及/或雷射光束3之極化。例如，例如光束直徑5毫米、脈波長度6皮秒(ps)之脈波化的雷射系統之雷射光束在波長1030奈米時可耦合至光學系統1中且傳送至光束成形元件31。
第3圖顯示光學系統1之示意性的構造，用於說明作用方式。光學系統1係以光束成形元件31和成像系統33為主。須形成光束成形元件31以接收雷射光束3。相對應地調整雷射光束3之橫向的輸入強度外形41。此外，須形成光束成形元件31，以便在橫向的輸入強度外形41上對雷射光束3施加一光束成形用的相位曲線43(第1圖中以虛線所示者)。所施加的相位曲線43係使(基本上)拉長的聚焦區7之位於光束成形元件31之前的虛擬之光學影像53對應於雷射光束3。光束成形元件31因此產生一虛擬之光束外形，其位於光束成形元件31之光束上方，但其不是該處存在的實際光束曲線。
須設計成像系統33，使虛擬之光束外形成像在雷射處理設備之區域中，工件在處理期間係定位在該區域中。第3圖中成像系統33於此處舉例式地具有：一在光束方向中之第一聚焦元件，其於此處稱為遠場透鏡33A；以及一在光束方向中之第二聚焦元件，其於此處稱為近場透鏡33B。
遠場透鏡33A設置在相位施加之區域中且在第3圖中例如在光束成形元件31之光束向下方向中以透鏡形式來表示。如下所述，遠場透鏡33A亦可簡短地配置在光束成形元件31之前，在各組件中一起設置在光束成形元件之前和之後及/或完全地或部份地整合至各組件中。
在相位施加至光束成形元件31之後，雷射光束3依據成像系統33而將光束成形距離Dp傳送至近場透鏡33B。光束成形距離Dp因此對應於雷射光束3之傳送長度，其中所施加之相位曲線43將橫向之輸入強度外形41轉換成近場透鏡33B上的橫向之輸出強度外形51。此處，輸出強度外形51包括光學系統中此種橫向之強度外形，其係由相位施加來決定。這通常最晚在焦距的範圍中在近場透鏡前進行或在近場透鏡之範圍中進行。
為了使用虛擬之光束外形的概念，則光學系統中須對將由雷射光束3所經過的傳送長度(由光束成形元件31至近場透鏡33B)作出以下的考慮。通常，光學系統形成一種具有遠場聚焦作用和近場聚焦作用之成像系統33。後者是由近場透鏡33B決定且因此由近場焦距fN決定。前者是由遠場聚焦作用和所屬之遠場焦距fF決定。遠場焦距fF可藉由各別之遠場透鏡33A來實現及/或整合至光束成形元件中。對此亦請參閱第20圖。成像系統33具有一種X對1之成像比，其中X在虛擬影像縮小時通常大於1。例如，成像比轉移成大於等於1：1， 例如，大於等於5：1、10：1、20：1、30：1或40：1。換言之，在成像之此種定義中因素X繼續在虛擬外形中使聚焦區之橫向大小放大。角度則相對變小。須注意：成像比以二次方的形式進入該外形的長度中。對應地，虛擬影像之縱向長度例如在成像比10：1時縮小100倍，且在成像比20：1時縮小400倍。
在成像比為1：1時fN=fF，採用聚焦平面之重疊的調整。通常，fF=X fN。若遠場透鏡33A整合在光束成形元件中，則其例如存在於距近場透鏡之距離為fN+fF之處，即，典型上是在二個透鏡之焦距之和(sum)的範圍中。對1：1或縮小的成像系統而言，傳送長度因此至少等於近場透鏡之焦距的二倍。
若將遠場透鏡33A和光束成形元件31分開且假設：虛擬之光學影像不應(特別是不在與聚焦區相關的強度區中)與光束成形元件重疊，則光束成形元件至少配置在光束向下方向中距虛擬之光束外形53之縱向中央的距離I/2之處。因此，就相關的強度範圍而言，該長度I是虛擬之光束外形53的縱向範圍。虛擬之光束外形53之縱向中央例如存在於遠場透鏡33A之輸入側的聚焦平面中，遠場透鏡33A存在於距近場透鏡33B之距離為fN+fF之處。在此種情況下，傳送長度是d=fN+2fF-I/2=(1+2X)fN-I/2，即，小於fN+2fF=(1+2X)fN或換言之，小於透鏡之間的距離加上fF。
就距離d=fN+fF=(1+X)fN而言，亦可在變大的光束擴展區中使虛擬之光束外形53之同樣變大的長度 成像，其中就像此處稍後將詳述者一樣可保持該外形之已定義的末端。
通常會提及：由於原始光束發散性和收斂性以及在成像系統之有偏差的調整下，會產生上述考慮之各種偏差。相較於實際強度的提高之類似的成像，即，以類似的成像比來成像，則光束成形元件須更近地配置著(請參閱第7圖和第8圖之對應的論述)。因此，一般的距離是在範圍(1+2X)fN d2fN中。
藉由所施加的相位，則橫向的輸出強度外形51在與輸入強度外形41比較下具有至少一在光束軸45外部的局部最大值49。此一在光束軸45外部的局部最大值49會在聚焦區7中造成橫向的能量載入。依據光束成形元件31，橫向的輸出強度外形51之局部最大值49旋轉對稱地相對於光束軸45而形成，如第3圖中之切面圖所示，或可只形成在方位角的角度範圍中(請參閱第29圖和第30圖)。通常，光束軸藉由橫向的光束外形之光束重心來定義。通常，光學系統可配置有一個光軸，其通常經由光束成形元件之對稱點(例如，經由繞射式光學元件(DOE)之中央或反射式中空錐體轉向鏡之尖端)而延伸。在旋轉式對稱的光束中及對應的正確調整下，該光束軸可以區段方式而與光學系統之光軸相疊合。
該局部最大值可視為輸出強度外形51之一般特徵，其中特別是對相反的類貝色光束形式的光束形式可形成典型的次(sub)結構，其具有陡峭的緩慢下降的側緣。此種次結構由於光束成形元件及/或遠場透鏡之聚 焦作用而在所屬的遠場聚焦平面之區域中反相(invert)。特別是，輸出強度外形在此種遠場平面中特別「清晰地」顯示局部最大值，或例如在相反的類貝色光束形式的光束形式中此局部最大值已很快速地依據光束成形元件而形成。當然，該次結構的樣態由於相位施加時多樣化的可能性而會變化。
虛擬之光束外形的概念一方面可降低光學系統1之構造長度且另一方可在光學系統1中防止拉長之光束外形(其強度明顯地提高)的形成。須構成該成像系統33，以便在光學系統1內部中形成虛擬之光束外形的遠場且藉由傳統之聚焦組件，例如，透鏡、鏡面、顯微物鏡或這些組件的組合，而在近場透鏡33B中進行聚焦。因此，此處「傳統」在概念上應該是：有特性的光束形式基本上是由光束成形元件31所施加而不是由近場透鏡33B所施加。
為了進行說明，第3圖中顯示一種光束曲線，其對應於此處稱為相反的類貝色光束之光束。於此，光束成形元件31之光束向下方向中以破折線來顯示該光束曲線。光束成形元件31之光束向上方向中取代入射的準值光束3而以虛線繪出虛擬之光束外形，其類似於實際的類貝色光束。
類似於一般的類貝色光束，相反的類貝色光束亦具有一種在遠場透鏡33A之聚焦平面中的環形結構。當然，示意性的切面圖中所示的發散之光束區55A、55B(其入射至遠場透鏡33A上)不是來自「實際的」類貝 色光束而是直接由光束成形元件31與入射的雷射光束3之交互作用而產生。由於直接的交互作用，則光束區55A、55B藉由雷射光束3之橫向的光束外形41而施加至其橫向的強度分佈區中。相對應地，徑向中的高斯輸入光束中，光束區55A、55B中強度在原則上係由內向外減小。由於光束區55A、55B之發散性，則相對應地在光束軸上依據形式對相位調變的光束成份形成較小(在理想情況下不形成)強度之區域。因此，此處光束成份之發散(相對應地亦指發散的光束成份)涉及一種由光束軸移開的光束成份。當然，在該區域中非相位調變的光束及/或另一相位調變的光束成份可重疊。在形成相反的類貝色光束形式的光束期間就光束在光學系統中的擴展而言，請參閱第33圖和第34圖之說明。強度特性示意性地顯示在橫向的強度曲線57A和57B中。須指出：由於所施加的相位曲線43，則此強度曲線可沿著傳送長度而變化。然而，在起始區(即，靠近光束成形元件31之光束區55A、55B)中由於基本上作為相位遮罩用的光束成形元件31而使雷射光束3之入射的強度外形對發散的相位調變之光束成份至少佔有優勢。
為了對相反的類貝色光束作清楚的說明，另外在第3圖中示意性地示出強度曲線57A‘和57B‘。因此，假設：光束成形元件31只影響相位而不影響振幅。可確認的是：由遠場透鏡33A(或光束成形元件31之對應的遠場作用)造成的聚焦使強度曲線在光學系統1之出口處旋轉，以便在形成拉長的聚焦區7時首先使低的強 度重疊在光束軸45上，該低的強度來自於入射的高斯光束外形之下降的側緣。然後，使來自於入射的高斯光束外形之中央區的較高之強度重疊。此處須指出：不是只考慮光束成形元件上的強度而是亦須考慮有貢獻的面積。在旋轉對稱時，面積對應於距離的二次方而變化。就像特別是與第4圖結合時所述那樣，縱向之強度外形準確地終止於一區域中，該區域中光束成份由輸入外形之中央切開。最大的強度存在於中央，但面積不是零。此外，須指出：在聚焦區之後另存在一旋轉的強度外形，其對應於依據光束成形元件而得的強度曲線57A、57B(假設未與材料發生交互作用)。
由於成像系統33之成像，則對應地就第3圖之虛擬之光束形式而言存在以示意方式所示之傳入的虛擬強度曲線57A“和57B“，其在原理上對應於強度曲線57A‘和57B‘。
在與類貝色光束比較下成相反的強度曲線在聚焦區7及虛擬之光束外形(即，光學影像53)中都對相反的類-貝色-光束造成一特殊之縱向強度曲線，此乃因此處虛擬地進行光束區55A、55B之重疊。對傳統之類-貝色-光束之強度曲線的對應之論述，請參閱第7圖和第8圖及其所屬之說明。
第4圖例如顯示拉長的聚焦區7中縱向之強度分佈61，就像其可對相反的類貝色光束形式之虛擬的光學影像53之成像那樣來計算。Z方向中繪出正規化的(normalized)強度I。須指出：在正規化地入射(Z方向中) 至材料9時未必需要一種傳送方向，且就像與第2圖結合時所述那樣，或可在一種與Z方向成一角度的方向中進行。
第4圖中可確認一種首先成緩慢方式的強度上升曲線61A，其經由數個100微米(低的(外部)強度之開始重疊)直至強度最大值，緊接著是明顯的強度下降61B(高的(中央)強度之重疊)。因此，對相反的貝色光束形式而言，在傳送方向(第4圖中的Z方向)中造成縱向強度分佈的強邊界。就像特別是鑑於第3圖中所示的強度曲線57A‘和57B‘那樣，基於此種強邊界可辨認：縱向之強度分佈61之末端追溯到入射的雷射光束(具有多種強度)之光束中央的貢獻但亦追溯到明顯下降(傾向零)的面積。換言之，該末端涉及虛擬之光束外形的成像，其中在中央對相反的類貝色光束產生一孔。強度下降時在末端上明顯的梯度涉及輸入外形之在中央的高強度，當然會受到消失的面積所限制。對理想的成像系統而言，強度分佈61之縱向範圍係藉由虛擬之外形的位置和成像比例來定義。若工件另外具有較高的折射率，則光束外形對應地延長。
此處，雷射處理設備中強邊界造成以下結果：一修飾之在傳送方向中位於前方的末端亦在入射的橫向光束外形放大時基本上固定在傳送方向中。該修飾只在後方區域中改變其範圍，即，當雷射光束之輸入光束直徑變大時，該修飾可在朝向近場透鏡之方向中延長。相對於工件承載面或工件本身強邊界之已調整一次 的位置因此可防止該修飾之在光束向下方向中的高強度。與此不同，輸入光束直徑之放大在實際之強度提高區的成像中會造成該修飾在傳送方向中之延長，即，例如朝向工件承載面內部，這樣會使工件承載面受損。
第5圖顯示一種針對第4圖所示的縱向強度分佈61於聚焦區7中該強度之舉例式的X-Z切面63。須指出：此處有一部份高斯步級圖式就像第5圖、第30圖、第31圖、第40圖、第45圖、第46圖和第50圖那樣係以彩色圖式為主，使強度/振幅之最大值可顯示成暗色。例如，第5圖中聚焦區7之中央(最大強度)顯示成暗色且由較低強度之較亮區域包圍著。類似情況適用於例如第30圖和第31圖中之聚焦區707及第50圖之聚焦區1007A及1007B。可辨認的是：在數個微米之橫向範圍中聚焦區7經由多個100微米而拉長地形成。利用非線性之吸收的門檻值特性，工件中此種光束外形會造成一種明確地界定之拉長的修飾。聚焦區7之拉長的形式例如具有一種範圍在10：1至1000：1的縱橫比，例如，20：1或更大，例如，50：1至400：1，即，於橫向最短方向中聚焦區之長度對該長度內產生的最大範圍之比(後者在非旋轉對稱的外形中)。
當在傳送方向中由第4圖所示的振幅側之光束形式消除未修飾的相反的類-貝色-光束時，則可以遠場中的光束成形元件31另外造成振幅再分佈，其例如可在傳送方向中用於強度之修飾。當然，這樣在聚焦區7之前所造成的強度分佈不會再以很明顯的形式抗拒「反 轉」。儘管如此，經常在縱向強度外形之起始區中和末端區中顯示反轉之突緣，例如，一種緩慢的上升和快速的下降。此外，一(與相位有關的)振幅再分佈可藉由光束成形元件31之相位曲線而平坦、準確地適應於反轉的強度分佈，以造成縱向之平坦頂部強度外形的形式。
另外，保持著以下特徵以便對「實際的」光束形式作限制：在實際的高斯輸入光束的情況下，例如，在實際的轉向鏡中在近場透鏡和聚焦區之間存在一平面，其中存在著入射光束之縮小的高斯橫向光束外形且可適當地以可見方式作成。對應的成像發生在虛擬之光學影像的概念中。當然，在此種情況下影像平面位於聚焦區之後，影像平面中存在著縮小的高斯橫向光束外形。此橫向光束外形可適當地以可見方式作成。這在相位遮罩以高斯光束外形來照射時通常適用於此處預設之相反的光束形式所需的相位遮罩。特殊情況下，縮小的高斯橫向光束外形位於光束成形元件之影像平面中且因此通常都直接在聚焦區之光束向下方向中。由於已發生的發散，則縮小的高斯橫向光束外形較聚焦區中相反的類貝色光束形式的光束之橫向的光束外形大很多。
可在光束外形之結構的快速之折邊(即，在小的橫向區上明顯的變化)上辨認：輸入光束之已成像的高斯橫向光束外形之位置。因此，例如，相反的類貝色光束形式的光束之橫向的強度外形存在聚焦區中。於是，在經由光束成形元件之影像平面時，「似乎(quasi)」立即在中央形成暗點。這在相反的類貝色光束中不同於聚 焦區之起始處。該處由於高斯光束外形之邊緣區之逐漸增加的重疊而形成一種由相反的類貝色光束形式的光束之黑暗中央至填充於中央之橫向的強度外形之緩慢的過渡區。換言之，縱向中強度在一範圍中增加，此範圍大於其在末端上減小時的範圍。在末端上該過渡區明顯地受到限制。須補充的是：對實際的貝色光束形式之強度提高區之成像而言，在末端上和起始處的特性可互換，即，在貝色光束外形之末端上緩慢地形成暗點。
就像先前所述一樣，使用虛擬之光束外形在概念上因此另外會作用在將進行的相位施加及聚焦區中所產生的強度曲線。
第6圖說明各修飾區65，其在實驗研究的範圍中產生於透光材料中以探討上述修飾的形成。每一修飾區65都追溯到與雷射脈波之一群組(例如，二個6皮秒脈波，其間隔大約14奈秒)交互作用。各修飾區之形式係與依據第4圖和第5圖所採用之拉長的聚焦區7對應。在所需的強度/通量下，最大長度受到拉長的聚焦區7之幾何形式所限制。
上方的四個圖像說明了脈波群組能量Eg大約是20微焦耳(μJ)至40微焦耳時的門檻值特性。下方的四個圖像說明了脈波群組能量Eg大約是30微焦耳(μJ)至200微焦耳時拉長的修飾區65之造型。在總能量Eg增加時，修飾區在光束入射(近場透鏡)方向中會延長，此乃因在聚焦區7之較長區域中已達到門檻強度以進行非線性吸收。光束傳送方向中該修飾之末端基本上固定 在其位置中，且特別是近場透鏡(33B)至待處理的工件之距離不須再修正。在較小能量時，由於縱向中現有的梯度，則特別是在較小強度下修飾之門檻位於光束外形中時會使後方之末端出現一種開始在光束方向中的遷移。當然，在中等的及較高的能量下此種遷移將減弱，此乃因在傳送方向中相反的類貝色光束形式的光束外形的產生隱含地具有最大之後方末端。
該修飾之縱向範圍的變化中類似的特性亦會在入射的雷射光束3之徑向中逐漸增加的光束直徑中出現。在此種情況下，該修飾區亦會在光束入射(近場透鏡)方向中延長，此乃因徑向中入射的雷射光束3之來自外部的強度區會將能量導引至緩慢的強度上升曲線61A之區域中之縱向強度區中(即，強度上升曲線具有較小的斜度)。強度分佈之最大值對應地在光束入射方向中偏移。反之，該修飾之末端在光束傳送方向中基本上固定在其位置中，此乃因該位置是由入射的雷射光束3之光束中央提供能量。於此，須指出：在修飾之相反的類貝色光束形式的光束外形中亦可觀看該特性。例如，對與第23圖至第26圖相結合而論述之平坦頂部光束形式而言，在光束直徑改變時該修飾之末端的位置基本上不變。另外，對此種已改變之入射的強度外形而言，光束成形元件可能不再造成最佳化的平坦頂部結構，使強度中發生調變且可能在開始處發生變化。
第7圖用於說明光束傳導，其中一實際的強度提高區71藉由光束成形透鏡73(例如，轉向鏡)來產 生。這對應於類貝色光束之習知的形成方式。然後，強度提高區71在聚焦區77形成時經由望遠鏡系統75而成像在工件9中。如第7圖所示，在此種構造中存在以下的危險性：實際的強度提高區71使望遠鏡系統75之遠場透鏡79受損，特別是當應以小的構造長度來實現時。此處描述之光學系統(例如請參閱第3圖)使用了虛擬影像之概念，因此避開了使導引光束之透鏡受損的危險性。
第8圖為了完整而說明了第7圖之構造中產生的在Z方向中之縱向強度分佈曲線81。開始時在強升曲線81A之後將到達強度最大值，由此該強度又下降。在較小的強度時，使用一種緩慢延伸的下降曲線81B(斜度較小之延伸的下降曲線)。可辨認的是第4圖和第8圖之縱向強度分佈曲線61和81之在原理上的相反性，其中末端上的「強邊界」係由一「強起始(hard start)」來取代。
對上述之類-貝色-光束而言，以具有入射的高斯光束外形83之雷射光束來照亮一轉向鏡會造成重疊的光束區85A、85B，其強度比重會造成實際的縱向強度分佈曲線(首先使高斯光束外形83之中央區的強度重疊，然後使高斯光束外形83之低的(外部)強度重疊)。為了說明，又示意性地顯示出遠場透鏡79之光束下方的強度曲線87A、87B及聚焦區77光束上方的強度曲線87A’、87B’。
以下將說明光學系統之不同的舉例式的組態，其使用了虛擬的強度提高區之概念。所述組態包括 傳輸用或反射用的光束成形元件，其中相位曲線之施加特別是以折射式、反射式或繞射式來進行。對已描述的組件例如雷射系統11，請參閱先前之說明。
鑑於光束成形透鏡73至近場透鏡之距離，類似地對虛擬影像考慮以下各值。在實際的光束外形中，典型上長度I之待成像的實際光束外形之中央係位於遠場透鏡之輸入側的焦距中。於是，典型的距離至少是fN+2fF+I/2=(1+2X)fN+I/2，即，大於fN+2fF，或換言之，大於透鏡之間的距離加上fF。
第9圖顯示顯示一種藉助於中空錐體轉向鏡131A來達成之折射式光束成形，其在中空錐體轉向鏡131A之光束向上方向中產生虛擬之相反的類貝色光束153A，這在第9圖中藉由虛線來表示，一實際的強度提高區未存在此區域中。此外，第9圖之形式中遠場透鏡在光束傳送方向中係於中空錐體轉向鏡131A之光束向下方向中構成為平凸透鏡133A。近場透鏡33B將雷射光束聚焦在聚焦區7中，使虛擬之相反的類貝色光束153A配屬於雷射光束而成為聚焦區7之虛擬的光學影像。
第10圖顯示一種具有中空錐體-轉向鏡-透鏡系統131B的實施形式，其用作折射式光束成形元件。因此，遠場透鏡整合在光束成形元件中成為凸透鏡面133B，其配置在中空錐體-轉向鏡之輸入側。此種構造同樣產生一虛擬之相反的類-貝色-光束外形153B。
第11A圖說明一種具有反射式光束成形元件(特別是反射式轉向鏡鏡面系統131C)之實施形式。須形 成光束成形元件之高反射的表面，使反射式轉向鏡之光束成形特性可與聚焦之中空鏡面的遠場形成組件相組合。對應地，轉向鏡鏡面系統131C滿足光束成形及遠場透鏡之功能。虛擬之相反的類貝色光束外形153C顯示在轉向鏡鏡面系統131C之後側，即，顯示在一種未由雷射光束3通過之區域中。
另外，如第11A圖所示，雷射系統11之雷射光束3在光束調整單元13之後經由轉向鏡140而入射至光學系統1中。轉向鏡140例如配置在轉向鏡鏡面系統131C和近場透鏡33B之間的光軸上且將光束轉向至光束成形元件131C。在一些實施形式中，轉向鏡例如可以在中央鑽孔，以便使儘可能少的光轉向至光束成形元件131C之光學上可能帶有缺陷的中央區。對濾波之以下結合第17圖和第18圖所述的樣態作補充，此處須指出：轉向鏡140同時阻擋不期望的中央光束成份，使其未被近場透鏡33B聚焦。
第11B圖顯示以反射式光束成形元件為主之光學系統之另一實施形式。因此，經由鑽孔之轉向鏡140’的開口141而以雷射光束3來照射反射式轉向鏡鏡面系統131C形式的光束成形元件。反射後施加了相位的光束然後在形成一種例如環形的遠場後入射至轉向鏡140’，其將光束轉向至近場透鏡33B以聚焦在拉長的聚焦區中。該開口因此另外用作反射後之光束的中央區之一種形式的濾波器/光圈。
在具有反射式光束成形元件之另一實施形式中，光學系統具有一反射式轉向鏡、一鑽孔之離軸(Off-Axis)拋物面鏡及上述之近場透鏡。該反射式轉向鏡具有一磨成錐狀的基體以使光束成形，該基體之錐狀表面塗佈成具有高反射性。雷射光束可經由離軸拋物面鏡之開口而入射至該反射式轉向鏡上。反射後之已形成光束的光束然後入射至該離軸拋物面鏡，其將光束轉向至近場透鏡33B且同時對準。
第12圖和第13圖顯示具有數位式光束成形元件之光學系統的實施形式。數位式因此可涉及相位偏移時之離散值及/或橫向結構(例如，像素結構)的使用。空間光調變器(SLMs)的使用有多種不同的可能性，其經由可程式的或亦可固定地寫入的繞射式光學元件(DOE)來使用光束形式。
繞射式光學元件除了例如對應於一個或多個中空錐體轉向鏡的相位施加而容易地產生一個或多個虛擬之光束外形以外，繞射式光學元件亦允許目標明確的修飾以使縱向之強度分佈均勻化。因此，例如就中空錐體轉向鏡相位(且因此來自相反的類-貝色-光束)而言，例如相位中的偏差可設定在小於等於50%之範圍中，例如，小於等於20%或小於等於10%。通常，相對於例如以微影術製成之固定寫入的繞射式光學元件(DOEs)而言，空間光調變器(SLMs)在橫向較大的解析度下允許很精細的相位變化。固定寫入的繞射式光學元件(DOEs)例如具有平面平行式步級，其厚度決定了相位。因此，微 影術製程允許高的橫向解析度。二元化(binary)步級可造成實際和虛擬的光束外形。只有數目大於二之相位揚升才可在虛擬之光束外形的優先方向之概念上造成差異。因此，就虛擬之光束外形而言，四個或八個或更多之相位揚升允許有效的光束成形。當然，離散可造成並列，其例如可被濾出。連續之微結構的製造方法例如包括類比-微影術或奈米刻印微影術。
此處，繞射式光學光束成形元件之結構性的、造成相位施加的、且平坦地形成的元件是可調整的空間光調變器(SLM)或固定寫入的繞射式光學元件(DOE)，其稱為相位遮罩。依據DOE之實施形式，其可使用在傳輸或反射時，以施加相位曲線至雷射光束。
第12圖中使用一空間光調變器31A於反射過程中以施加相位。例如，空間光調變器31A係以「矽上的液晶(LCOS)」為主，其可達成一種對各別像素都可程式化的相位偏移。空間光調變器另外亦可以微系統(MEMS)、微光電機構(MOEMS)或微鏡面矩陣系統為主。在空間光調變器(SLMs)中，像素例如可以電子方式來控制，以在橫向之輸入強度外形上造成特殊的相位施加。電子式的可控制性例如可對相位進行線上(online)調整且因此例如可依據待處理的材料或對雷射之波動起反應來調整該聚焦區7。在第12圖之配置中，例如繞射式轉向鏡之功能可藉由空間光調變器31A之相位偏移而與遠場透鏡之遠場形成功能相組合以產生虛擬之相反的類貝色光束外形。另一方式是，一固定寫入之反射式DOE可用作光束成形元件31A。
第13圖是以DOE 31B為主之光學系統之示意圖，其中相位施加固定寫入至DOE 31B中。DOE 31B在此種情況下使用在傳輸中。如第12圖所示，相位偏移(例如造成虛擬之類貝色光束外形)及遠場透鏡之聚焦特性組合在DOE 31B中。
第9圖至第13圖之光學系統可造成輸出強度外形，其對應於相反的類貝色光束外形且設有虛擬之光學影像。
第14圖說明了相位曲線243之範例，其就像可設置在DOE 31B中者那樣。相位曲線243是旋轉對稱者。可辨認的是環形之相位分佈，其頻率在徑向中調變。該環形指出旋轉對稱的虛擬之類貝色光束外形之產生。頻率調變指出遠場透鏡之相位成份整合至相位曲線中以形成光束。第14圖中相位顯示在±π之範圍中。另一實施形式中例如二元的或多階之類的離散式(例如，相位偏移0至2π之範圍中的4個位準或更多位準)相位曲線亦可轉移至DOE相位遮罩中。
第15圖和第16圖舉例式說明了強度橫切面(第15圖)和2維俯視圖(第16圖)中的輸出強度外形251。可確認的是，一種在光束軸45周圍繞行之環形強度最大值249。光束中央幾乎未存在強度。
在一些實施形式中，未完全轉換成相反的類貝色光束，因此對應地使非相位調變的其餘光束(例如，具有高斯光束外形)重疊至環形的強度外形。第15圖示意性地以破折線顯示此種非相位調變的光束成份252。
第15圖中相位分佈曲線之最大值249是局部強度最大值之範例，藉此可在橫向之輸出強度外形之範圍中對原始之輸入強度外形(例如，高斯光束外形)作調變。環形結構之旋轉對稱性是與相反的類貝色光束外形之旋轉對稱有關。在可選擇之實施形式中，局部強度最大值限制在方位角的角度範圍中。此外，方位角受限的及/或環形的局部最大值亦可疊加。
在使用折射式中空錐體轉向鏡(請參閱第9圖和第10圖)以產生相反的類貝色光束形式的輸出強度外形時，可在不期望的角度下在轉向鏡之不完美的尖端中產生不期望的光束成份。在繞射式光束成形元件中會產生不期望的光束成份。例如，在雷射光束之遠場中可存在一種不可忽略的非相位調變或繞射階數(diffraction order)的光束成份。
此處所揭示的光學系統由於使用遠場成份而使濾波器的安裝及形式選擇較容易，以濾除上述干擾性的光束成份。特別是可在傅立葉平面之範圍中輕易地將不期望的光束成份由所期望的光束成份(有效光束)中分離。
請參閱第15圖之非相位調變之光束成份252，第17圖顯示一種舉例式的光學系統，其與第3圖所示的光學系統相關。當然，在成像系統33之傅立葉平面之範圍另外進行非相位調變成份的濾波。例如，第17圖中在近場透鏡33B之光束向上方向中顯示一種空間濾波器單元220。
空間濾波器單元220具有一圍繞光束軸45之中央區，其例如阻擋非相位調變之光束成份252之在第15圖中所示的高斯形式之強度分佈。濾波器單元220另外具有在徑向中位於更外部之區段以阻擋由DOE或SLM造成的更高階之繞射。
通常，設置濾波器單元220以抑制：非相位調變的基本模式(mode)和更高階的繞射以及此處揭示的各種不同之折射式、反射式或繞射式光束成形元件之雜散光束。在旋轉對稱的輸出強度外形中，通常亦旋轉對稱地形成濾波器單元。在一些實施形式中，只設有濾波器單元220之單一區段或甚至未設置濾波器。
繞射式光束成形元件允許另一附件以抑制非相位調變之光束成份。因此，明確地施加另一相位值以使相位調變的光束成份轉向。
第18圖例如顯示一種光學系統，其中繞射式光學元件31另外設有線性之相位值。此線性之相位值造成相位調變之光束203A轉向230。非相位調變之光束203B未轉向且例如入射至濾波器單元222。
第19圖顯示光學系統之另一實施形式，其使用遠場成份以另外用於安裝一種掃描附件。通常，允許一掃描系統將聚焦區7運行於某一範圍中。通常，藉由光束成形由近場聚焦分離，則特別是對體吸收而言可設定有利的遠心掃描附件。在一些實施形式中，允許另外調整位置和角度。對應地，此種掃描系統允許將微細的輪廓(contour)寫入工件中。
第19圖之實施形式中，掃描鏡面310配置在近場透鏡333B之影像側的聚焦平面中。掃描鏡面310使輸出強度分佈曲線之區域中的雷射光束轉向至側面配置的近場透鏡333B。此種轉向在傅立葉平面中發生作用，使工件中的傳送方向即使位置偏差仍被保持著。掃描範圍本身藉由近場透鏡333B之大小來決定。
若該掃描鏡面310未準確地配置在近場透鏡333B之聚焦平面中或其允許相對於近場透鏡333B而移動，則可調整拉長的聚焦區之對準，特別是可調整第2圖中由Z方向的角度偏差。
第20圖舉例式地依據第13圖所示的光學系統之組態而說明了作為基準的成像特性。此光學系統包括一光束成形元件31，其亦用作遠場透鏡且因此其特徵是焦距fF。光學系統另外包括近場透鏡33B，其特徵是焦距fN。第20圖中遠場透鏡和近場透鏡之聚焦平面互相重疊。對應地，在第20圖中只以虛線顯示聚焦平面340。在重疊之聚焦平面之此種組態中，成像系統在平坦之波前入射時通常會在拉長的聚焦區7上使虛擬之光束形式253成像，例如，相反的類貝色光束外形、相反的調變之或均勻化的類貝色光束外形都可作為相反的類貝色/艾里光束形式的光束形式。
然而，聚焦平面不是經常重疊著。例如，成像系統可在預設的光束發散中調整，但雷射光束3以不同的發散性入射。在此種情況下，拉長的聚焦區7通常仍對應於位於光束成形元件之前的虛擬之光學影像，但 未必存在完美的成像。類似的情況亦可在成像系統之明確的誤差調整(例如，與掃描裝置結合)時發生。
第20圖另外說明了「遠場透鏡」和「近場透鏡」之概念。遠場透鏡於遠場焦距fF之範圍中產生虛擬之光束曲線253的遠場。就像先前已描述者一樣，遠場透鏡可就其功能進行分配，例如，由一個或多個位於光束成形元件之前及/或之後且與其相隔開而配置的組件形成及/或整合在光束成形元件中。近場透鏡以較小的焦距fN將光束聚焦在工件之方向中且因此形成聚焦區。於是，在聚焦平面340之區域中對遠場透鏡而言存在虛擬之光束外形53之遠場且對近場透鏡33B而言亦存在聚焦區7之遠場。
又，不完美的成像(例如，遠場透鏡和近場透鏡之未互相重疊之聚焦平面)時，基本上可在聚焦區中存在可接受的強度曲線，此乃因入射至近場透鏡上的強度外形只有些微的改變。
例如，在相反的類貝色光束形式之情況下，藉由成像系統中的遠場透鏡達成之第一聚焦作用可對近場透鏡上的環形大小作調整。就此而言，遠場透鏡對環形直徑具有聚焦作用，環形直徑就像圖中所示那樣變小直至一種中間聚焦之方式為止。
第21圖說明了在收斂的雷射光束3’入射至光束成形元件31上的情況下光學系統中的光束曲線。雷射光束之相位調變的成份303A聚焦在拉長的聚焦區7上。由於入射的雷射光束3’之收斂(及可能由於各別聚焦 的遠場透鏡或整合在光束成形元件31之相位曲線中)，則在傳送長度Dp的期間非相位調變的成份303B(破折線)繼續變細且入射至近場透鏡33B之中央區。於是，對非相位調變的成份形成一種焦點350，其較拉長的聚焦區7更靠近該近場透鏡33B。非相位調變的成份在焦點350之後亦明顯地發散，使得就非相位調變的光束成份303B而言造成非線性吸收的強度不再到達工件中。在此種構成中，因此不需對非相位調變的光束成份303B進行濾波。
儘管如此，焦點350之區域中(或甚至在遠場透鏡和近場透鏡之間，當光束強烈聚焦時)設有空間局部化之濾波器單元，以便由交互作用區和工件中取出非相位調變的光束成份303B。
第22圖顯示光束成形元件31之光束向上方向中配備有另一透鏡400時的光學系統。透鏡400(作為另一聚焦組件的範例)位於距光束成形元件31為距離DA處。
光束成形元件31具有相位曲線，其對一特殊的光束直徑作調整。藉由透鏡400相對於光束成形元件31之可移動性，則可調整光束成形元件之受照明的部位，即，光束成形元件31上的輸入強度外形之光束直徑。
在一些實施形式中，透鏡400可在光束成形元件31之前在光束成形元件31之相位遮罩中受到補償，使成像未改變且只使0階(即，非相位調變)成份聚焦。
通常，透鏡400亦可理解成遠場透鏡之組件。若遠場透鏡由多個互相可對近場透鏡移動的組件構成，則成像比例可藉由適當的偏移而改變。在一些實施形式中，透鏡400、光束成形元件或此二者可一起移動以調整光束系統1之成像比例。在一些實施形式中，透鏡400可用作第一望遠鏡部份透鏡以調整光束成形元件上的光束直徑，其中第二望遠鏡部份透鏡一起算入相位遮罩中。
在一些實施形式中，可移動透鏡400，以特別對縱向之平坦頂部光束形式或多光點形式進行原始光束之微細調整。
若須選擇輸入之光束，使光束成形元件31上存在收斂的或發散的光束，則此處亦可對應於第21圖而在某種情況下省略非相位調變之光束成份403B的濾波器單元。即，工件中非線性吸收之強度只由相位調變之光束成份403A實現。
繞射式光學元件允許在輸入強度外形上進行之數位化以及例如基於像素之相位調整。由相反的類貝色光束形式之強度曲線開始，例如可在聚焦區7中產生縱向之平坦頂部強度外形。於是，光束成形元件中的相位曲線會受影響，使輸出強度外形中的強度貢獻值可由強度最大值及貝色光束分支形成的區域中取出且藉由相位改變而在徑向中分佈，以便在稍後聚焦時藉由近場透鏡33B使上升曲線61A和下降曲線61B放大或廣泛地防止繼續擴大的分支(例如，由於功率由分支移動至均勻化的區域中)。
對應的輸出強度外形551顯示在第23圖(強度橫切面)及第24圖(2維俯視圖)中。可確認的是：在與第15圖比較下，第23圖之強度橫切面中局部最大值在徑向中變寬且受到調變。於是產生對應的徑向擴大之調變的環形結構549。
第25圖顯示此種輸出強度分佈551之聚焦。Z方向中在大約700微米之範圍中產生縱向之類均勻化的強度分佈(平坦頂部)561。
第26圖顯示透光材料9中類似於第6圖之修飾區565(修飾)。上方之四個影像又說明了在大約20微焦至40微焦之脈波群組能量Eg的情況下門檻值特性。下方之四個影像顯示大約30微焦至200微焦之逐漸增加的脈波群組能量Eg。可確認的是：在超過門檻值時修飾區基本上總是在Z方向中相同的擴大區上形成在工件9中。這與幾乎是定值的只具有短的上升和下降的強度有關。當然，隨著逐漸增加的能量，不只強度而且修飾區之橫向範圍都變大。
另一實施形式允許在傳送方向中達成一系列之強度提高區，此實施形式顯示在第27圖中。通常，就像橫向及/或縱向的多光點相位施加一樣，在近場透鏡33B之影像側的聚焦平面之區域中可進行增補之相位施加。特別是，可在第27圖中辨認三個強度最大值661A、661B、661C之序列，其分別具有如第4圖所示的強度曲線。
該序列可藉由縱向多光點相位施加或使用多焦點透鏡作為近場透鏡33B而產生。因此，在傅立葉平面(近場透鏡33B之聚焦平面)之區域或靠近該近場透鏡33B例如可設置另一繞射式光學元件，其對三個焦點提供額外的相位調變。此種相位調整例如由EP 1 212 166 B1中已為人所知。
與第28圖至第31圖相關聯，對加速之艾里光束形式的光束形式說明了拉長的聚焦區7之另一可能的形成方式。
第28圖顯示相位曲線743，就像其在光束成形元件31中施加在輸入強度外形上一樣。因此，相位曲線743包括：加速的光束產生時所需之相位曲線；以及凹透鏡之相位曲線，其補償原始光束收斂性。通常，加速的光束之相位遮罩產生良好地對準的光束，其並非主要在傳送距離上變化且然後以近場組件聚焦成所謂加速的光束形式。
第29圖和第30圖說明了所屬之輸出強度曲線751的切面圖(第29圖)和俯視圖(第30圖)。可辨認的是：強度最大值在Y方向中稍微由中央(即，靠近光束軸45)偏移。因此，橫向的輸出強度外形751係針對輸入強度外形而以位於光束軸45外部的局部最大值749來修飾。
此種輸出強度曲線751之聚焦造成第31圖所示之縱向拉長的且彎曲的聚焦區707。這樣允許：當聚焦區例如在Y方向中朝向此種材料之邊緣運行時，此種 加速的光束外形亦可用在與非透光媒體的組合中。所造成的交互作用例如會造成該材料的圓形化。另一實施形式中，此種光束外形可用來對透光材料作切割成具有彎曲的切面。
在一些實施形式中，例如須形成光學系統，使產生第7圖的徑向強度提高區及第3圖的虛擬之強度提高區。以此方式，修飾區之縱向範圍可擴大。
第32圖顯示舉例式的具有二元之DOE 31C之光學系統。若雷射光束3入射至此二元之DOE 31C，則一方面會形成實際的強度提高區871，例如，DOE 871之光束向下方向中的類貝色光束。另一方面亦會形成一種光束成份，其對應於拉長的聚焦區807A之位於DOE 871之光束向上方向中的虛擬之影像853，例如，相反的類貝色光束之形式。
此光學系統另外包括望遠鏡系統833，其具有遠場透鏡833A和近場透鏡833B。望遠鏡系統833使虛擬之影像853及實際的強度提高區871成像於待處理的材料9中。於是，二元之DOE 31C定位在遠場透鏡833A之聚焦平面中或附近。
此種成像會造成延長的交互作用區，其包括在拉長的聚焦區807A和可追溯到實際強度提高區871之聚焦區807B。在所產生之一系列依順序排列之聚焦區807A和聚焦區807B中，(相反的)類貝色光束之強度首先依據第4圖所示的強度曲線且隨後依據第8圖所示的強度曲線而延伸。因此，產生一種具有強度偏弱的中間 區之強度曲線，該中間區係由強的強度下降曲線61B和強的強度上升曲線81A形成。此種強度偏弱的中間區例如在處理一對重疊的工件時可設置在接觸區之區域中。此外，此附件允許在相同的輸入光束直徑及相同的由光學系統覆蓋的角度範圍中對交互作用可達成雙倍長度。
在一些實施形式中，非相位調變的成份可聚焦在重疊的聚焦區807A和807B之間的區域中。所屬的高斯焦點807C同樣示意地顯示在第32圖中。在此種實施形式中，另外可調整繞射效率，此乃因非相位調變的光束係用於填充強度空隙。
此處例如依據所選擇的虛擬光束外形來描述一些樣態。通常，這些樣態亦可傳送至此處描述成(相反的)虛擬光束形式，例如，相反的類貝色/艾里光束形式，的光束形式，例如，相反的類貝色光束外形或相反的調變之或均勻化之類-貝色-光束外形。
與第33A圖至第33D圖及第34圖相關聯，對相反的類貝色光束而言，光束成形元件至近場透鏡的傳送係藉由光束外形和振幅曲線來說明。較明亮的灰色值對應於較大的振幅。對應之相反的類貝色光束可以此處描述的折射式、反射式和繞射式光學系統來產生，例如，以(中空錐體)轉向鏡-系統和DOE系統來產生。DOE系統例如可以第14圖所示的相位遮罩之相位曲線為基準，其中除了相反的類貝色光束所需之相位以外亦設有聚焦用的相位值。
將假設：具有旋轉對稱之高斯光束外形的雷射光束入射至光束成形元件。高斯光束外形具有一種以高斯形式經由光束中央而延伸的橫向之振幅曲線。第33A圖、第33B圖、第33C圖及第33D圖分別顯示光束外形900A、900B、900C和900D之發展及所屬之示意性的振幅曲線902A、902B、902C和902D，後者直接依據光束成形元件在z=0mm且光束向下方向中的距離z=10mm，z=50mm以及隨後的近場組件之聚焦平面中在z=200mm時而得。假設一種達100%之轉換，即，未形成例如非相位調變之光或雜散之光的形式之干擾光束成份。
第34圖顯示由光束成形元件由z=0mm的開始處開始直至在z=250mm的近場透鏡為止時沿著光束軸Z之切面的振幅曲線。光束外形900A、900B、900C和900D之位置以箭頭顯示在第34圖中。
可辨認的是：由於純相位遮罩直接在光束成形元件之後，則類似於高斯光束仍會存在高斯光束外形900A和高斯振幅曲線902A。於是，邊界清楚之孔當然由於所施加的導致發散的相位而立刻形成。已在z=10mm時吾人可辨認光束外形900B之中央處的清楚的黑點904，其通常會變大。同時，形成具有較高振幅之環形區906。
環形區906向內清楚地受到限定，其可經由步級形式在徑向振幅/強度分佈中被辨認出。圓形環繞式步級之側緣907相對於光束軸/光束中央而顯示。隨著逐 漸增大的z值，側緣907之相面對的區段偏移而分開，即，中央清楚界定的孔之直徑快速增大(D1<D2)。
在徑向之振幅/強度分佈中，環形區906向外隨著逐漸增大的z值總是快速地下降。此種發展示意性地顯示在振幅曲線902A至902C之下降的側緣908A至908C中。在遠場中，即，例如在所施加之聚焦用的(遠場)作用和近場透鏡之重疊的聚焦平面中，清楚的環形908D顯示在光束外形900D中，其然後又運行而分離(請參閱第34圖)。因此，在外側上現在形成清楚的邊緣，即，步級現在顯示其側緣向外。
第34圖中可辨認出在Z方向中變寬的黑暗之區域910A和在Z方向中變細之亮的邊緣區910B之間的過渡區中清楚的邊緣，其中亮的邊緣區910B中的灰色值首先以徑向向內方式且然後由聚焦平面開始而徑向向外地提高。
光束外形和振幅分佈之上述原理上的特性允許光學系統以高斯輸入光束來測試，此時首先形成一孔，其具有陡峭地朝內的側緣，且因此會造成遠場中位於光束軸外部的局部最大值。由內部區之光束外形及聚焦區之區域中所造成的成像使對應的光束外形可被辨認。使用此種光學系統因此未強制地限定在高斯光束。此外，須指出：各圖式係考慮用於理想情況下而繪成。例如，若使用非理想化的DOE，則上述非相位調變的成份或較高階的成份或實際的類貝色光束(例如，就像在二元遮罩中一樣)可位於光束軸上且該「孔」中以強度填充。
相反的類-貝色-光束因此可在振幅曲線中且因此在強度外形中特別具有一種具有陡峭側緣之步級，其特別可在靠近光束成形元件之區域中朝向內部，該區域例如是指：直至遠場之一半的區域且特別是光束成形元件之光束向下方向中該遠場透鏡之聚焦長度之區域。對未以光束軸為基礎的「單純之」相反的類貝色光束而言，步級區域中振幅/強度由接近零提高至相位調變之光束成份的最大值。因此，例如對基本上徑向強度為定值(徑向之平坦頂部)之入射的光束而言，亦可經由光束成形元件而形成步級(在相位調變的光束成份中)，此乃因該步級基本上是與光束中央有關。
先前所述之遠場聚焦平面之光束向上方向中的光束特性是在遠場聚焦平面之後在徑向中反轉直至聚焦區為止。在該聚焦區之後，又在徑向中反向一次，使得在該處-不須與待處理的材料交互作用-又可對步級形式作調整。此光束外形例如可藉由光束之截取而在適當的位置上分析，其是在光學系統中在光束成形元件之後或聚焦區之前或之後進行。特別是，在允許中央干擾光束被阻擋的配置中，可在聚焦區之前和之後分析相位調變之光束成份之強度曲線。
在此種關係上，另外可參考同一日由申請人所提出之標題為「光學光束成形元件」的德國專利申請案，其特別是涉及光束成形用的光學系統。該申請案之內容此處進入完整的範圍中。就像此處通常所述者，可另外使用相反的類貝色光束形式的光束以進行雷射材料處理。
在與第35A圖至第52C圖結合下，以下在縱向和橫向中設定多種可能性以影響聚焦區。特別是使用DOE作為平坦地形成的相位遮罩之範例，這樣可同時施加多個相位曲線至雷射光束3。為了產生相反的類貝色/艾里光束形式的光束，則至少一相位曲線須對應於一虛擬之光學影像，其可藉由雷射光束而成像在一拉長的聚焦區中以形成待處理之材料中的修飾。此種相位曲線之一種範例已與第32圖結合而被設定。現在，若存在二個此種相位曲線，其至少會造成部份重疊的聚焦區或至少有影響性的聚焦區，則可形成待處理之材料的修飾之幾何形式，其藉由雷射脈波或雷射脈波之群組而產生。
通常，此種相位曲線可在橫向的遠場強度分佈(輸出強度分佈)中形成一個或多個環形結構(例如請參閱第37C圖)、一限制在方位角之角度範圍中的環形區段結構(例如請參閱第44圖)及/或一個或多個局部最大值(例如請參閱第49圖)。
多個此種相位曲線可以不同的方式施加而成。最明確的是將多個區段配屬於相位遮罩(例如請參閱第35A圖、第35B圖和第42圖)。該些區段可以是分離的平坦區域，其中分離的多個區域例如可在徑向中及/或方位角的方向中互相鄰接且在邊界區域中例如可陡峭地或加重地交錯著。此外，該些區段至少部份地重重疊疊交錯著(例如請參閱第47圖)。最後，由平坦地形成的相位遮罩之一(平面)區段所造成的相位揚升可以是多個相位貢獻之組合，該些相位貢獻分別對應於此種相位曲線 之一。除了以下所述的DOE組態以外，例如亦可對應於已組成的中空錐體轉向鏡或反射式轉向鏡而再形成一平坦的區段。在此種意義中，可理解的是以下用於詳述可能之概念的範例，其中該些概念亦可以先前提及的及此處所述的相位施加附件來設定。通常，多個光學元件可組合在一DOE中，此時例如須確定全部元件(例如，中空錐體轉向鏡及透鏡)之傳輸功能；各別相位功能相加(exp(-1i(phi1+phi2+...))。此外或另一方式，可進行各別傳輸功能之重疊的一種方式。為了確定相位曲線，首先請參考Leach等之揭示內容。
第35A圖說明了相位遮罩之相位曲線930，其二個徑向之區段具有不同的相位曲線。特別可辨認一中央區段930A和一環形區段930B。環形旋轉對稱的相位施加存在於中央區段930A和環形區段930B中。每一相位曲線之施加都造成相反的類貝色光束，因此在光束成形元件之光束向上方向中分別有一虛擬之光學影像對應於該相反的類貝色光束，其中每一光學影像例如可成像在另一縱向之區域上。相對應地，特別可形成縱向的干擾效應。
第35B圖顯示相位遮罩之相位曲線932之另一範例，其具有二個配置在徑向區段(中央區段932A和環形區段932B)中的不同相位曲線。於此，在與第35A圖比較下，另有一球形相位重疊至每一相位曲線，使該相位遮罩具有遠場聚焦作用。又，各個相位曲線是旋轉對稱的。二個相位分佈區形成相反的類貝色光束，其在光束軸上同類型的區域中具有聚焦區。
第36圖對環形區段結構顯示振幅曲線沿著光束軸Z所形成的切面圖，其由z=0毫米時的光束成形元件開始直至z=250毫米時的近場透鏡為止。在原理上可辨認二個互相疊置的具有不同發散性的振幅曲線，其在特性上分別對應於第34圖所示的振幅曲線。特別是，可辨認一在Z方向中變寬的中央暗區934A及一在Z方向中變寬的環形延伸之外部暗區936A。徑向中向外的環形亮的光束區934B和936B鄰接於暗區934A和936A。特別是，徑向中形成步級形式的強度分佈，其特別是結合第37A圖至第37C圖及第38A圖至第38C圖來詳述且可在遠場聚焦平面之區域中改變其特性。於此須指出：各遠場聚焦平面不必對上述二個環形區段重疊。
第37A圖顯示一種在z=10毫米時形成的光束外形940A。吾人可辨認：在入射的雷射光束之原來的高斯形式之光束外形中已形成一與中央暗區934A對應的中央暗點及一與環形暗區936A對應的暗環。
第38A圖顯示屬於第37A圖之橫向的強度曲線。特別可辨認一對相面對的陡峭之中央側緣947A，其是一種由亮區934B至中央暗區934A之空間中的過渡區且對應地在徑向中朝向內部。亮區934B在徑向中位於外部的區域中具有緩慢下降的側緣948A。此下降的側緣948A在亮的環形光束區936B之同樣是緩慢下降的側緣948B中繼續延伸至暗的環形區936A之另一側上。
第37B圖和第38B圖顯示光束外形940B和z=50毫米時之徑向的強度分佈942B。可辨認的是：強度 區繼續在徑向中變濃密，對應地使中央暗區934A和環形暗區936A在徑向中變大。第38B圖中，吾人特別可辨認：外部亮區936B之徑向朝內的陡峭側緣947B及已提及之徑向朝外緊接著緩慢下降的側緣948B。
第37C圖和第38C圖顯示大約z=200毫米時配屬於區段932A和932B之聚焦平面的縱向區中之光束外形940C和徑向的強度分佈942C。現在可辨認的是：一明顯的環形結構，其具有內環949A和外環949B。該些環949A和949B之每一環產生出一種在聚焦區中之相反的類貝色光束外形，其中又可形成干擾現象。這些平面特別是對應於聚焦區中光束之角度光譜。角度光譜顯示二個尖峰，使恰巧有二個角度成份包含在光束中，其中一個角度成份由相位遮罩之內部區構成且另一角度成份由相位遮罩之外部區構成。此二個角度成份造成聚焦區中的二光束干擾。
第39圖至第41圖顯示相位施加時一種干擾之範例，其具有徑向配置的區段，其中該干擾涉及二個在Z方向中相位稍微不同的聚焦區之重疊。在以此為基準的相位施加過程中，另外將一種均勻化分配至每一區段，該均勻化類似於縱向之類均勻化的平坦頂部強度分佈561之結合第23圖至第26圖而詳述的實施形式。
通常，導入多個角度成份會造成干擾，這是在獲得光束能量/通量下進行，以便在形成修飾時可獲得高的效率。
第39圖顯示一種共有之拉長的聚焦區977以用於虛擬之光學影像之二區段特有的成像，二個徑向的區段之貢獻干擾地重疊於聚焦區977中。在傳送方向中該共有之拉長的聚焦區977具有一系列之強度最大值961，其以幾乎同等級的強度發生於Z方向中大約600微米之區域上。可辨認的是：干擾最大值961之密度，即，縱向調變之頻率，在Z方向中逐漸增加。當不只二個角度成份相干擾且多個角度成份例如由於均勻化而包含在內時，該調變例如可變成不均勻。多個角度成份由於均勻化而包含在內時特別會影響調變週期。在恰巧有二個角度成份時，該調變週期保持固定。
由於上述區段是旋轉對稱的，則強度分佈亦是旋轉對稱的且每一干擾最大值961對應於一個體區域，其中強度/通量可大於門檻強度/通量。第40圖補充地顯示由形成在該聚焦區中之強度分佈所造成的相關之ZR切面963，其具有依序排列之強度最大值961。
利用上述強度分佈來進行雷射材料處理時，第41圖顯示已處理的材料9中一配屬於脈波/脈波群組的修飾之在Z方向中延伸的修飾區965，其具有局部化之相隔開的多個修飾區965A。該些修飾區965A對應於干擾最大值961。
第41圖中上方之四個影像顯示出有脈波群組能量時修飾區965A形成在門檻強度之區域中，就像其例如亦使用在第6圖所示之實驗研究中。相比較下，可辨認的是：由於干擾所造成的調變，則尖峰強度大於部 份區域中強度之和(sum)且因此在同等級的角度下大於單純之相反的類貝色光束中者。由於此一原因，則在與第6圖比較下第41圖中修飾門檻已經在較小的脈波能量(最晚是在第二Eg值)時提早很多地被超越，雖然未較強地聚焦。
第41圖中下方的四個影像顯示修飾的形成，就像其在脈波群組以較高之繼續增大的脈波群組能量入射所產生的那樣。可辨認的是：修飾區965A之延長和連接，此乃因在較高的強度時縱向中強度的修飾深度仍只延伸至小於門檻之很短的區域中且因此只有縱向之短區域不會造成材料9之修飾。第41圖中亦可辨認的是：修飾區965之末端(最後之修飾區之位置)在逐漸增大的脈波群組能量中基本上在Z方向中是固定的。關於最後之修飾區之位置的類似特性對入射的雷射光束之光束直徑之變化而言是可預料的，此乃因其對相反的類貝色光束形式的光束形式可以是一種典型的特徵。
第42圖顯示相位遮罩之具有方位角區段化的相位曲線970。一對「X」區段970A互相面對著，其分別為三角形式且具有分別配置在(所屬光束軸之)中央的直角形三角尖端。相位遮罩之位於「X」區段970A之間的區域形成二個相面對的「Y」區段970B，其同樣為三角形式且具有位於中央的直角形三角尖端。通常，入射的高斯光束須對準光束成形元件，使光束成形元件之中央與入射的光束之光束軸重合。
第42圖之範例中，在各別的區段之間突然地發生相位曲線之過渡區。第42圖之相位曲線明顯地不具旋轉對稱性，此乃因沿著X方向的光束成份受到「X」區段970A之相位曲線的影響且沿著Y方向的光束成份基本上受到「Y」區段970B之相位曲線的影響。
第43圖和第44圖顯示X方向中的強度曲線971A或強度外形之XY俯視圖之中央區段971B，就像其可在遠場聚焦平面中形成者那樣。由於第42圖之相位遮罩未具有聚焦用的相位成份，則其可與分離的且因此對二個區段都相同的遠場透鏡一起使用。在強度曲線971A和區段971B中，可辨認的是：一在徑向中位於外部的強度提高區之二部份的外部環形區段972A。此外，可辨認：區段971B中一在徑向中位於內部的強度提高區之二部份的內部環形區段972B。後者基本上在X方向(y=0)中無貢獻。相對應地，其在強度曲線971A中亦不能視為強度提高區。環形區段972A和972B之每一部份延伸超過90度對應於方位角之區段化。
結果，第42圖之方位角區段化之相位遮罩造成遠場中不對稱的強度曲線。此外，可由於不同的角度成份而形成縱向的干擾結構。光束形式中的不對稱是由於區段中的不對稱而造成。在區段中角度成份相同且區段之相位偏移為PI的情況下，例如可形成不對稱的光束形式而無調變，其中因此所產生之相反的類-貝色-光束之距離可在光束本身之階數(order)中。所屬之相反的類貝色光束形式的光束形式之干擾可對應地造成橫向地形成強度分佈時之不對稱/調變。
對由第44圖之輸出強度分佈所產生的強度分佈而言，第45圖舉例式地顯示共同之拉長的聚焦區973之ZX平面中的切面973A。第46圖顯示強度分佈之ZY平面973B中所屬之切面。可辨認的是：一系列基本上是線性配置的強度最大值975。主要的強度可達到第45圖中唯一的一列及第46圖中三列中的強度最大值。第46圖中外部的列之最大值在Z方向中對內部的列之最大值偏移。現在，在材料處理時若選擇Y方向作為進給方向，則各別的雷射脈波(或一個群組的雷射脈波)形成一種在進給方向中延長的，即，不對稱的聚焦區/修飾區。相對應地，聚焦區/修飾區之寬度在切割方向中、即，YZ平面中變小。因此，產生一種由強度最大值975之三個「清晰的」列構成的配置。
換言之，由相位遮罩之區段化所造成的不對稱可在切割時用來與相反的類貝色光束形式相組合以形成幾何上的優先方向。此種組態中聚焦區/修飾區之末端區基本上亦可與入射的光束之入射能量及光束直徑無關。
具有不對稱之幾何形式的工件9中交互作用的另一範例將結合第47圖至第52C圖來詳述。第47圖顯示相位遮罩之相位曲線1043，其基於二個相位曲線的重疊而形成，每一相位曲線屬於一相反的類貝色光束，就像其可各別地例如以中空錐體-轉向鏡來產生那樣。當然，各相位曲線之中央在X方向中互相偏移△x。相位曲線1043另外具有一與配置在中央的球形相位重疊的重 疊區，即，聚焦用的遠場作用整合在例如構成為繞射式光學光束成形元件的相位遮罩中。
第48圖顯示由z=0毫米至z=250毫米之區域中振幅曲線沿著光束軸Z之切面圖，就像其在施加相位曲線1048時所產生者那樣。可辨認的是：類似於第34圖，一個暗的中央區1010A，其在Z方向中變寬。由於只有小的橫向偏移之相位曲線，則可在徑向向外方向中鄰接於中央區1010A之強度區1010B中形成多種的干擾結構1034。
相位曲線1048之聚焦用的遠場作用形成一種在所屬之聚焦平面中依其強度而結構化的環。對應的輸出強度外形1051例如顯示在第49圖中。可辨認的是：局部最大值，其大小在X軸上的方位角方向中最大。方位角之範圍隨著至X軸之逐漸增大的距離而沿著該環變小。
第50圖顯示交互作用區中縱向的強度外形之ZX切面，就像其由輸出強度外形1051之聚焦所產生者那樣。特別是形成二個在X方向中偏移之拉長的聚焦區1007A和1007B，其沿著Z方向而延伸。除了主要最大值以外，分別形成多個次要最大值。可調整脈波能量或脈波群組能量，使特別是在非線性吸收時每一聚焦區中只有一最強的最大值或多個最強的最大值可導致材料之修飾。
若在待處理的材料上於Y方向中以上述方式所形成的雷射光束來掃描，則會形成由二個相隔開的修 飾區所形成的痕跡。於是，可明確地在該材料中造成應力分佈，其例如可優先在拉長的多個修飾區之間的中間區1050中觸發一種切割。例如，在多個修飾區中可形成壓應力，其造成中間區中拉應力的形成，這樣可在其本身此側促成對應的切割過程。在此種情況下，X方向亦表示切割方向且Y方向表示進給方向。
所屬之光學系統中在繞射式光學光束成形元件之光束向下方向上的強度發展，對應於相反的類貝色光束形式的光束曲線，亦具有在徑向的強度分佈中的步級結構。由於光束成份對二種相反的類貝色光束之橫向偏移，則當然會形成干擾結構1034，其可與該步級結構重疊。
雖然有干擾結構1034，吾人仍可在z=10mm、z=100mm及z=150mm時的光束外形1040A至1040C(其形成在第51A圖至第51C圖)中辨認多個區域，其在徑向內部中具有較高的強度。第52A圖至第52C圖顯示所屬之在徑向中於X方向延伸之強度曲線1042A至1042C。特別是在第52B圖和第52C圖中，可辨認陡峭的側緣1047之形成，其圍繞著強度弱的內部區。因此，該強度在徑向朝外方向中隨著緩慢下降的側緣1048而漸漸消逝。當然，由於干擾而使側緣的形成大大地與方向有關，就像第51A圖至第51C圖所示那樣。
先前詳述的範例係以使用二個設置在相位遮罩上的相位曲線作為基準。然而，亦可設置多於二個的相位曲線。例如，多於二個的相位曲線可設置在徑向區段和方位角區段中或包含在相位揚升的組合中。
其它實施形式及/或其它形成方式和樣態綜合在以下說明中：
通常，此處所述之聚焦元件(例如，遠場和近場透鏡)可構成為例如透鏡、鏡面、DOE或這些元件之組合。
此外，像此處所述之實施例之類的光學系統中可增加其它的光學元件。另外，中間(intermediate)成像可加入成像系統中，以便可在影像側的聚焦平面中例如實現濾波器功能且同時實現一種掃描移動。於是，例如影像側的聚焦平面(例如，第20圖中的影像平面340)本身可經由另一光學系統來成像。另一選擇或額外地，此種光學居間系統允許在掃描器-應用中實現例如變大的工作間距及/或工作場所之變大。
須明確地強調：所有在說明書及/或專利請求項中揭示的特徵為了原始的揭示內容就像為了所主張的發明之限定一樣都應視為互相分離且獨立，這與各實施形式及/或請求項中之特徵的組合無關。須明確地堅持：所有的區域標示或各單元之群組的標示為了原始的揭示內容就像為了所主張的發明之限定一樣都揭示了每一可能的居間值或各單元的下位群組，其特別是亦稱為區域標示之邊界。
1043‧‧‧相位曲線
x,y‧‧‧座標
△X‧‧‧偏移

Claims (16)

  1. 一種繞射式光學光束成形元件(31)，用於施加相位曲線(43)至用於對可廣泛透過雷射光束的材料(9)作雷射處理的雷射光束(3)上，此光束成形元件(31)具有：相位遮罩，其形成為用於施加多個光束成形用的相位曲線(43)至入射至該相位遮罩上的雷射光束(3)，其中所述多個光束成形用的相位曲線(43)之至少一個對應於一虛擬之光學影像(53)，其可成像在至少一拉長的聚焦區(7)中以使一修飾形成在待處理的材料(9)中。
  2. 如請求項1之繞射式光學光束成形元件(31)，其中須形成多個光束成形用的相位曲線(43)之至少一個，以便在橫向的輸出強度分佈(51)中形成：環形結構(949A、949B)、限制在方位角之角度範圍中的環形區段結構(972A、972B)、及/或局部最大值。
  3. 如請求項1或2之繞射式光學光束成形元件(31)，其中須形成多個光束成形用的相位曲線(43)之至少一個，以便將具有高斯強度分佈之入射的雷射光束(3)轉換成至少一發散的、對應於虛擬之光學影像(53)的光束區(55A、55B)，其在繞射式光學光束成形元件(31)之光束向下方向中具有橫向的強度分佈(57A、57B)，其由內向外減弱且特別是存在於一與該相位遮罩的聚焦作用對應的遠場焦距(fF)之前，及/或須形成多個光束成形用的相位曲線(43)之至少一個，以便將入射的雷射光束(3)轉換成至少一發散的、 對應於虛擬之光學影像(53)的光束區(55A、55B)，其在繞射式光學光束成形元件(31)之光束向下方向中具有橫向的強度分佈(57A、57B)，其具有步級形式的強度揚升之區段，此區段具有徑向中朝內之陡峭的側緣(907)，且橫向的強度分佈(57A、57B)特別是存在於一與該相位遮罩的聚焦作用對應的遠場焦距(fF)之前。
  4. 如請求項1至3中任一項之繞射式光學光束成形元件(31)，其中多個光束成形用的相位曲線之多個相位曲線分別對應於一虛擬之光學影像(53)且形成該光學影像(53)以成像在所屬的聚焦區(1007A、1007B)中，以便在待處理的材料(9)中形成一種修飾，及/或由平坦地形成的相位遮罩之一區段所造成的相位揚升是多個相位貢獻之組合，所述多個相位貢獻分別對應於多個光束成形用的相位曲線(43)之一。
  5. 如請求項1至4中任一項之繞射式光學光束成形元件(31)，其中該平坦地形成的相位遮罩具有多個區段，其分別地形成以施加多個光束成形用的相位曲線(43)之區段特有的相位曲線至雷射光束(3)，至少二個區段特有的相位曲線分別對應於一區段特有的虛擬之光學影像(53)，其可成像在一區段特有的聚焦區(1007A、1007B)中，及須互相配置所屬之區段特有的聚焦區，使其共同對修飾區(965)的形成有貢獻。
  6. 如請求項5之繞射式光學光束成形元件(31)，其中所述多個區段具有至少二個區段，其由至少部份地重重疊疊交錯的空間結構組成，及/或所述多個區段之區段(930A、930B；970A、970B)在徑向中及/或方位角方向中互相鄰接，及其中特別是在所述多個區段之相鄰的區段之過渡區中設定一種在對應的相鄰之相位曲線(43)之間的加重之過渡區。
  7. 如請求項1至6中任一項之繞射式光學光束成形元件(31)，其中特別是區段特有的聚焦區(807A、807B；1007A、1007B)相重疊及/或在空間中擴充及/或虛擬之光學影像(53)之特別是區段特有的至少二個成像干擾地相重疊及/或虛擬之光學影像(53)之特別是區段特有的至少二個成像形成一共同之拉長的聚焦區(977)。
  8. 如請求項1至7中任一項之繞射式光學光束成形元件(31)，其中須形成多個光束成形用的相位曲線(43)之特別是區段特有的相位曲線，使所屬之光學影像(53)在待處理的材料(9)中造成不對稱之橫向的強度分佈，這特別是以聚焦區本身的不對稱及/或多個聚焦區(1007A、1007B)互相之間不對稱的配置為基準，及該不對稱之橫向的強度分佈特別是具有一在優先方向中的進給強度分佈及一與該優先方向成橫向的切 割強度分佈，且其中特別是該進給強度分佈在橫向中延伸成較該切割強度分佈更廣及/或該切割強度分佈具有二個強度最大值以便在該些強度最大值之間進行材料(9)之切割，且該些強度最大值特別是屬於二個相鄰之特別是互相平行延伸的聚焦區(1007A、1007B)。
  9. 如請求項1至8中任一項之繞射式光學光束成形元件(31)，其另外具有：一分離之遠場透鏡(33B)及/或一整合在該相位遮罩中的遠場透鏡相位施加元件，其中須形成該遠場透鏡及/或遠場透鏡相位施加元件，將聚焦作用施加至雷射光束(3)，以便在所屬的聚焦平面(340)中對至少一虛擬之影像(53)形成輸出強度分佈，且其中特別是該聚焦作用對多個光束成形用的相位曲線(43)之不同的相位曲線是相同的或不同的，且特別是對不同的區段是不同的。
  10. 一種用於雷射光束(3)之光束成形的光學系統(1)，於一共同在傳送方向(5)中拉長的聚焦區(7)中藉由材料(9)之修飾來處理特別是可廣泛透過雷射光束的材料(9)，此光學系統具有：如請求項1至9中任一項之繞射式光學光束成形元件(31)，以及近場透鏡(33B)，其配置在光束向下方向中距該繞射式光學光束成形元件(31)之距離為光束成形距離(Dp)且形成為將雷射光束(3)聚焦在聚焦區(7)中，其中 多個相位成形用的相位曲線之至少一已施加之相位曲線(43)使一拉長的聚焦區(7)的位於該繞射式光學光束成形元件(31)之前的虛擬之光學影像(53)對應於雷射光束(3)，且光束成形距離(Dp)等於雷射光束(3)之傳送長度，其中所述多個相位成形用的相位曲線(43)將橫向的輸入強度外形(41)轉換成近場透鏡(33B)之區域中之橫向的輸出強度外形(51)，特別是此輸出強度外形(51)在與輸入強度外形(41)比較下具有至少一位於光束軸(45)外部的局部最大值(49)。
  11. 如請求項10之光學系統(1)，其中此繞射式光學光束成形元件(31)圍繞入射的雷射光束之光束軸而可旋轉地配置著，以便在其相對於一優先方向，特別是進給方向，的方位中特別是對工件(9)中不對稱之橫向的強度分佈作調整及/或其中成像系統(33)將虛擬之光學影像(53)的影像之縱向中央的光束向下方向中之影像平面分配給光束成形元件(31)，且光束成形元件(31)上的雷射光束之橫向的光束外形存在於該影像平面中，特別是在該影像平面之區域中存在一種在縱向中的急劇折邊，其由存在於聚焦區中的橫向光束外形至一具有黑暗中央之橫向光束外形，後者特別是在雷射光束(3)之基本上成橫向之高斯光束外形中且特別是涉及入射的雷射光束(3)之光束成份，其產生對應於虛擬之光學影像之發散的光束區(55A、55B)，及/或 須形成該光學系統(1)，使基本上只有入射的雷射光束之中央區貢獻至對應於虛擬之影像之聚焦區(7)的位於光束向下方向之末端，則入射的雷射光束之光束直徑之變化不會造成聚焦區(7)的位於光束向下方向之末端的主要是縱向的偏移。
  12. 一種用於處理特別是可廣泛透過雷射光束的材料(7)之雷射處理設備，於雷射光束(3)之一共同在傳送方向(5)中拉長的聚焦區(7)中以雷射光束(3)藉由材料(7)之修飾來進行處理，此雷射處理設備(21)具有：雷射光源(11)，如請求項10或11之光學系統(1)，其具有一繞射式光學光束成形元件(31)，以及一控制器，用於多種操作參數之調整，特別是參考一優先方向，特別是進給方向，來校準橫向的不對稱強度分佈，該控制器形成為特別是針對入射的雷射光束之光束軸來調整該繞射式光學光束成形元件(31)之旋轉角度。
  13. 一種以雷射光束(3)藉由雷射光束(3)對材料(9)之修飾來對特別是可廣泛透過雷射光束的材料(9)作材料處理的方法，此方法具有以下步驟：在雷射光束(3)之橫向的輸入強度外形(31)上施加多個光束成形用的相位曲線(43)，其中所施加的多個光束成形用的相位曲線(43)之至少一個使一拉長的聚焦區(7)之虛擬的光學影像(53)對應於雷射光束(3)， 雷射光束(3)經由光束成形距離(Dp)而傳送，隨後該些所施加的多個光束成形用的相位曲線(43)將橫向的輸入強度外形(41)轉換成橫向的輸出強度外形(51)，使橫向的輸出強度外形(51)在與橫向的輸入強度外形(41)比較下具有特別是至少一位於光束軸(45)外部的局部最大值(49)，以及對應於虛擬之光學影像(53)之拉長的聚焦區(7)在與至少另一聚焦區(1007A、1007B)相重疊、擴充及/或干擾的情況下將雷射光束(3)聚焦在聚焦區(7)中，以形成一種以輸出強度外形(51)為主的近場，所述至少另一聚焦區(1007A、1007B)源自所述多個光束成形用之相位曲線(43)之至少另一相位曲線。
  14. 如請求項13之方法，其中特別是在該相位遮罩上一種非旋轉對稱地形成的相位曲線的情況下，該相位曲線特別是藉由在該相位遮罩上非旋轉對稱地配置多個相位曲線(43)而形成，在該材料(9)中不對稱之橫向的強度分佈藉由雷射光束(3)之聚焦而形成及/或，此方法另外具有以下步驟：特別是藉由光束成形元件(31)之旋轉而在參考一優先方向，特別是進給方向，的情況下對不對稱之橫向的強度分佈進行校準。
  15. 一種共同之拉長的聚焦區(977)應用，其用於特別是可廣泛透過雷射光束的材料(9)之雷射材料處理，其藉由材料(9)之修飾來進行，其中該共同之拉長的聚焦區(7)藉由多個相反的類貝色光束形式的光束外形及/或相反 的類艾里光束形式的光束外形之空間擴充及/或重疊而產生。
  16. 如請求項15之共同之拉長的聚焦區(7)之應用，其中該擴充及/或重疊造成該共同之拉長的聚焦區(7)中的干擾及/或強度調變及/或該共同之拉長的聚焦區(7)之不對稱及/或其中該共同之拉長的聚焦區(7)係藉由請求項1至9中任一項之繞射式光學光束成形元件或藉由請求項10或11之光學系統或藉由請求項12之雷射處理設備而產生。
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