WO2015114032A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung mit zwei unterschiedlichen teilstrahlen - Google Patents

Laserbearbeitungsvorrichtung mit zwei unterschiedlichen teilstrahlen Download PDF

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WO2015114032A1 PCT/EP2015/051760 EP2015051760W WO2015114032A1 WO 2015114032 A1 WO2015114032 A1 WO 2015114032A1 EP 2015051760 W EP2015051760 W EP 2015051760W WO 2015114032 A1 WO2015114032 A1 WO 2015114032A1
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laser
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Malte Kumkar
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus for workpiece processing with a processing optics, which directs a laser beam to a workpiece, and a method for generating two partial beams having at least one different geometric property from an input laser beam.
  • Many laser processing methods require adjustable temporal and spatial beamforming. This should be efficient and efficient and have a high flexibility. It is the object of the invention to provide a laser processing device and a method with which the beam shaping can be achieved efficiently, performance-friendly and with a high degree of flexibility.
  • the processing optics has a polarizer which divides an input laser beam into two vertically polarized partial beams, and a greater path length for the second partial beam than for the first partial beam, whereby the second partial beam has a longer duration than the first partial beam , and that along its beam path in at least one geometric beam property compared to the first part beam changed second partial beam on the polarizer or on another polarizer is superimposed on the first partial beam such that the transmitted portion of the modified second partial beam and the first partial beam form a common output laser beam ,
  • the division and superposition of laser radiation according to the invention with the aid of polarizing elements in conjunction with the adjustability allows flexible beam shaping with high efficiency and performance.
  • This allows temporal and spatial beam shaping, whose different aspects and combination options can be used advantageously for different applications.
  • the geometric beam property comprises at least one of the group consisting of beam waist offset, beam divergence change, pass-length variation, parallel offset, angular offset, and beamforming.
  • the polarizer is advantageously a beam splitter cube or a thin film polarizer.
  • a, in particular switchable, polarisationsbeeinlendes element is arranged in the beam path of the second sub-beam, which can switch the polarization of the second sub-beam, for example in the case of a laser pulse to adjust the passages of the second partial beam to its superposition or the respectively transmitted to the polarizer portion of the second partial beam.
  • the above object is also achieved by a method for generating two partial beams with at least one different geometric property from an input laser beam, the input laser beam is split at a polarizer into two vertically polarized partial beams, wherein the second partial beam passes through a greater path length than the first partial beam and is thereby changed in at least one geometric beam property with respect to the first sub-beam, and wherein the modified second sub-beam is superimposed on the polarizer or on another polarizer the first sub-beam such that the transmitted portion of the second sub-beam and the first sub-beam form a common output laser beam ,
  • FIG. 1 shows a processing optics according to the invention with two different borrowed polarizers.
  • FIGS. 2 to 15 different processing optics according to the invention with a single polarizer
  • FIGS. 16a to 16c show an example of application of laser processing with the processing optics of a laser processing device according to the invention (FIG. 16c) in comparison to laser processing using a single laser beam (FIG. 16a) or multiple parallel laser beams (FIG. and
  • FIGS. 17 to 21 further application examples of a laser processing by means of the processing optics according to the invention.
  • identical reference numerals are used for identical or functionally identical components.
  • a laser machining apparatus 1 for workpiece machining has a laser beam generator 2 for generating a laser beam 3 and a machining optical system 4 which directs the laser beam 3 onto a workpiece 25.
  • the processing optics 4 shown in FIG. 1 comprises
  • a first polarizer 5 which divides the incident laser beam 3 into two vertically polarized partial beams 3a, 3b,
  • a second polarizer 6 on which the second partial beam 3b, which is changed along its beam path in at least one geometrical beam characteristic relative to the first partial beam 3a, is superimposed on the first partial beam 3a such that the transmitted portion of the modified second partial beam 3b and the first partial beam 3a form a common partial beam 3b Form output laser beam 3.
  • the sub-beams 3a, 3b superimposed on the second polarizer 6 have a transit time difference as well as a geometric deviation from the superimposed superposition of the sub-beams.
  • This geometric deviation includes, for example, a parallel offset, an angular offset, an offset of the waist position, a divergence change, a rotation or reflection of the beam profile, a beam shaping or a combination of these, as shown by different arrows for the two superimposed, together the output laser beam 3 forming part.
  • rays 3a, 3b is indicated.
  • the different geometric beam property of the second partial beam 3b arises either solely because of its longer path length, as described with reference to FIG. 10, or is generated in the beam path of the second partial beam 3b by means of a modification device 7.
  • an overlay does not necessarily mean an overlap of the beam profiles on the overlapping polarizer, but rather that the output beam 3 resulting from the overlay is subsequently used as a combined beam.
  • the chosen concept advantageously allows an overlap of the beam profiles on the overlapping polarizer, thus requiring no spatial separation at this.
  • the power distribution between the partial beams can also be set. Cascading can be used to generate superimposed and increased deviations or even further partial beams with further deviations.
  • FIG. 2 shows a processing optics 4, in which the axes of the two partial beams 3a, 3b are congruent after superimposition.
  • the input laser beam 3 passes in front of the polarizer 5 an optional optical adjustment element 8, with which the input beam 3 with respect to polarization, beam divergence, waist position, angle and position of the beam axes can be adjusted.
  • the optical adjustment element 8 can also be provided for splitting the input beam 3 or be designed as a switchable adjustment element.
  • an optional optical processing element 9 is indicated after the overlay, with which the superimposed output laser beam can be processed. This conditioning element 9 may include, for example, focusing, beam deflecting or polarization influencing components.
  • the first partial beam 3a is reflected by 90 ° and forms directly a partial beam of the superposition.
  • the second partial beam 3b is transmitted to the polarizer 5 and again guided by deflecting elements 10 to the polarizer 5 such that the transmitted portion of the second partial beam 3b is superimposed on the first partial beam 3a.
  • the second partial beam 3b first passes through an optional optical adjustment element 11 in this example after the division. If such a setting element 1 1 of a polarization-influencing properties is used, this allows, for example, to set the proportion transmitted at the polarizer 5, which is superimposed on the first partial beam 3 a, or which is reflective on the polarizer 5. tioned portion, which is superimposed on the second partial beam 3b.
  • the single polarizer 5 allows a spatial overlap between the dividing and the overlapping area.
  • the deflection elements can deflect the beam at any angle.
  • a lens system 12 which forms the modification device 7. If this is a telescope with a 1: 1 image, it can thus be adjusted assuming an input laser beam 3 low divergence disappearing to the reflection of the profile deviation. If this telescope has a different magnification, then the axes of the sub-beams in the superimposition can be set congruently, but the beam divergence and / or the waist position will differ. Even if two identical lenses 12 are used, a deviation of the waist position and the divergence of the superimposed partial beams 3a, 3b can be adjusted. This can, as indicated in Fig. 3 by a double arrow 13, by varying the path length, which passes through the second partial beam 3b between the two lenses 12, can be achieved.
  • two 90 ° deflecting elements 10, which in total reverse the second partial beam 3b in its direction, are moved as a unit in this direction 13. If, however, as in FIG. 4, the passage length between division and superposition varies (double arrow 14) without changing the length between the lenses 12, the deviation of divergence and waist position of the superimposed partial beams 3a, 3b remains unaffected with an input laser beam 3 of low divergence ,
  • two 90 ° deflection elements 10, which in total reverse the second partial beam 3b in its direction, and the two lenses 12 are moved as a unit in this direction 14.
  • the partial beams 3a, 3b are offset in time. In the case of laser pulses, a deviating time pulse offset can thus be set. Furthermore, the influence of the interference between the partial beams 3a, 3b can be controlled.
  • the Fign. 5-7 show that a parallel and / or angular offset of the beam axes of the superimposed partial beams 3a, 3b can be achieved by translation or tilting of beam-deflecting elements.
  • the last 90 ° deflecting element 10 which deflects the second partial beam 3b in the direction of the polarizer 5 is moved in the direction of the incident partial beam 3b (double arrow 15) and thereby the transmitted second partial beam 3b is parallel-displaced relative to the first partial beam 3a. puts.
  • the last 90 ° deflecting element 10 is tilted (double arrow 16) and thereby the transmitted second partial beam 3b angularly offset from the first partial beam 3a.
  • the polarizer 5 is tilted (double arrow 17) and, as a result, the transmitted second partial beam 3b is angularly offset relative to the first partial beam 3a.
  • the movable deflection elements 10 and the movable polarizer 5 form the modification device 7.
  • FIG. 8 shows as a modification device 7 a beam-shaping element 18 in the beam path of the second partial beam 3b between division and superimposition.
  • a beam shaping represents a further example of an adjustable deviation
  • the beam-shaping element 18 can be based on adjustable micro-mirrors (MEMS) or so-called “spatial light modulators” (SLM) by way of example also a static diffractive, refractive or reflective beam-shaping element 18 can be used in combination with an adjustable deviation, and optionally the length of the run between division and overlay can be varied (double arrow 14).
  • MEMS micro-mirrors
  • SLM spatial light modulators
  • FIG. 1 differs from FIG. 5 only in that the polarization-influencing element 1 1 has the polarization of the second partial beam 3b, for example 45 ° rotates and thereby the second partial beam 3b is split at the polarizer 5 in a transmitted and a reflected portion.
  • the parallel offset transmitted component is superimposed on the first partial beam 3a, while the reflected component again traverses the beam path of the second partial beam 3b with the polarization-influencing element 11, is again split at the polarizer 5 into a transmitted and a reflected component, etc.
  • the superposed output laser beam is thus formed from the first partial beam 3a and a plurality of parallel offset second partial beams 3b.
  • the superimposed output laser beam is thus formed from the first partial beam 3a and the double parallel offset second partial beams 3b.
  • the polarization-influencing element 1 1 is designed as a switch. If, for example, a laser pulse with a duration smaller than the time span of a single circulation of the second partial beam 3b is used as input laser beam 3, then the polarization-influencing element 11 may be set such that the polarization of the second partial beam 3b is rotated by 90 ° after the division, so that this beam is not decoupled, but again circulates. If, before the next revolution, the polarization-influencing element 11 is switched over, so that the polarization is not rotated, the second partial beam 3b runs around until a polarization rotation takes place again and the second partial beam 3b is transmitted in parallel offset fashion.
  • a polarization-influencing switch 11 is used in order to set the parallel offset with respect to the first partial beam 3a over the number of revolutions.
  • Fig. 14 it is assumed that the polarization of the input beam 3 is chosen so that no first partial beam contributes to the superposition, but the superimposition cascaded results from the second partial beam 3b.
  • the polarization-influencing switch 1 1 is controlled in time so that analogously to Fig. 1 1 a plurality of parallel offset second partial beams 3 b are coupled out.
  • FIG. 14 FIG Fig. 15, the polarization-influencing switch 1 1 controlled so that only selected second partial beams 3b contribute to the cascaded overlay.
  • the decoupled right partial beam is deflected out of the output beam again by means of a deflection element 20 and fed to an absorber (not shown).
  • the cascading of the division and superimposition can also be done by serial arrangement of several division and overlay units.
  • the input laser beam 3 is first transmitted to the polarizer 5 and only split on re-impinging on the polarizer 5, so after a single circulation, in the transmitted first part of the beam 3a and in the again circulating second partial beam 3b.
  • a partial beam 3b in the ring and other distribution and overlay concepts are conceivable.
  • the deviating polarization of the partial beams 3a, 3b in conjunction with the time offset can be used to advantage in order to avoid polarization effects in the application. control. It is known, for example, that in material processing with ultrashort laser pulses of linear polarization, periodic structures occur on the surface or in the transparent volume. By other polarization, other structures can be created. By the application of partial beams 3a, 3b with orthogonally oriented polarization and a small time offset, the formation of such nanostructures can be suppressed or controlled in their formation.
  • the beam guidance of the second partial beam 3b may also be formed in three dimensions.
  • FIG. 16c A beam overlay lends itself here, as will be explained using the example of an abrasive cut in transparent material with reference to FIG. 16c.
  • the nonlinear absorption can be used to increase the absorption. The absorption is thus very strongly intensity-dependent. If, for example, a cut in glasses is to be carried out with the aid of a laser beam 3, by passing a single beam through the glass several times on the same path, the removal per pass often decreases as the number of passes increases.
  • the cross section is shown by a workpiece 25 made of transparent material, in which a removal by a laser beam 3 takes place, which is incident on the workpiece 25 from above and which is moved relative to the workpiece 25 perpendicular to the cross-sectional area.
  • the removal process can completely stop (FIG. 16a).
  • the forming wedge-shaped gap 21 is characteristic, and the width of the wedge results from the strong swelling behavior of the ablation. Only in areas where the intensity is sufficient for the formation of pronounced non-linear absorption can erosion occur. As the process progresses, flanks form in the removal geometry. The laser beam therefore has a shallower angle of incidence in these areas. As a result, on the one hand, the ratio of reflected to coupled radiation at the interface is changed. On the other hand, the irradiated area increases, the intensity on the surface decreases, the The load is reduced until it comes to a stop. As shown in Fig. 16b, deeper cuts can be achieved even at normal incidence by multiple laser beams 3 are guided offset in parallel. However, no vertical cutting edge can be produced in this way, and furthermore, with increasing depth of cut, it is necessary to remove more and more width.
  • Fig. 16c - e.g. with the processing optics 4 shown in FIG. 5 - a parallel offset of the superposed partial beams 3a, 3b, which is then converted by a subsequent focusing lens 22 into an angular offset.
  • the sub-beams intersect above the processing zone, and the angle of attack between the sub-beams 3a, 3b is adjusted so that parallel cut edges result. This makes it possible to achieve a cutting gap 21 with vertical edges over large cutting depths.
  • the position of the point of intersection relative to the waist position of the partial beams 3a, 3b, the angle between the partial beams 3a, 3b, and the position of the point of intersection are chosen to be suitable relative to the removal front. At greater depths, at least this will
  • Cutting point tracked with progressing process progress can be adapted in the course of the process, in particular if also other parameters, such as e.g. the pulse energy can be varied with increasing depth.
  • the beam superimposition according to the invention can be used particularly advantageously here by the temporal offset between the sub-beams 3a, 3b on the one hand chosen so large that there are no disturbing interference effects between them, on the other hand so small that the sub-beams 3a, 3b with respect to the expulsion of Abtrag area essential currents simultaneously act.
  • a parallel offset of the two partial beams 3a, 3b in front of the focusing lens 22, which leads to an angular offset on the workpiece 25 through the focusing, can also be used to produce an undercut 23 in the workpiece 25, as shown in FIG 5, the processing optics 4 shown in FIG. Derarti- ge undercuts 23, as used for example in adhesive or other compounds by supplementing the cohesive by a form-fitting component, can be produced advantageously with the processing optics 4 according to the invention.
  • An adjustable angular offset of the processing optics 4 can be used to generate a parallel offset on the workpiece 25.
  • FIG. 18 shows that this parallel offset in the workpiece 25 leads to material removal, in which the removal products are essentially expelled between the two partial beams 3a, 3b.
  • the distance of the two partial beams 3a, 3b, the beam parameters and the laser parameters are adjusted according to the requirements and the properties of the workpiece 25.
  • the angular offset is generated by an input laser beam 3 incident at an angle to the center axis.
  • Angular and spatial displacement of the partial beams 3a, 3b can also be combined on the workpiece 25, wherein the preferred directions of the offset are adjustable.
  • Figs. 17 and 18 show the offset transverse to the relative movement of the laser beam to the workpiece 25 to align.
  • FIG. 19 shows a laser processing using the adjustable processing optics 4 shown in FIG. 10, in which the partial beams 3a, 3b have an offset of the beam waists in the propagation direction of the laser radiation. This focus offset is set so that the processing of the transparent material on top and bottom is done by means of a single input beam.
  • Fig. 20 shows another example of the longitudinal focus offset machining.
  • a transparent workpiece 25 is machined using the fact that absorption is high enough only in a volume near the foci to reach the temperature required for the desired processing. The absorption may be dominated or initiated by non-linear effects or by partial absorption.
  • a melt formation takes place simultaneously in the focus volumes of both partial beams 3a, 3b. Subsequently, the melted areas form a combined melt volume 24 (trailing in time or with the moving jet), whereby the two workpieces 25 are joined.
  • the adjustable overlay tion of the partial beams 3a, 3b targeted control of the melt volume 24, which avoids cracking and gap bridging is possible.
  • Fig. 21 shows an example of an adjustable processing optics 4, in which the two partial beams 3a, 3b have different waist diameters and Rayleighbone.
  • a sub-beam of high divergence is used, which locally generates an absorption in the focus, this initial absorption is then drawn along the beam profile of lower divergence by a largely transparent medium in the initial state.
  • Transient effects such as temperature-dependent absorption or the increase in absorption can be exploited by generating free charge carriers or defects. Accordingly, it is advantageous if the partial beam of strong focusing precedes the other partial beam in time.
  • the delay caused by the path length difference of the partial beams 3a, 3b can be used.
  • the polarization of the input beam 3 can be controlled via an upstream polarization-influencing element 8 in order to adjust the power distribution over time to the partial beams 3a, 3b.
  • first partial beam 3a can be changed in at least one geometric beam property, while the second partial beam 3b, although it passes through a greater path length, remains unchanged.

Abstract

Bei einer Laserbearbeitungsvorrichtung (1) zur Werkstückbearbeitung weist eine Bearbeitungsoptik (4), die einen Laserstrahl (3) auf ein Werkstück (5) richtet, erfindungsgemäß einen Polarisator (5), der einen Eingangslaserstrahl (3) in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen (3a, 3b) aufteilt, und eine größere Weglänge für den zweiten Teilstrahl (3b) als für den ersten Teilstrahl (3a) auf, wodurch der zweite Teilstrahl (3b) eine längere Laufzeit als der erste Teilstrahl (3a) aufweist. Dabei ist der entlang seines Strahlengangs in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl (3a) veränderte zweite Teilstrahl (3b) an dem Polarisator (5) dem ersten Teilstrahl (3a) derart überlagert, dass der transmittierte Anteil des veränderten zweiten Teilstrahls (3b) und der erste Teilstrahl (3a) einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl (3a, 3b) bilden.

Description

Laserbearbeitungsvornchtung mit zwei unterschiedlichen Teilstrahlen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Werkstückbearbeitung mit einer Bearbeitungsoptik, die einen Laserstrahl auf ein Werkstück richtet, sowie ein Verfahren zum Erzeugen von zwei Teilstrahlen mit mindestens einer unterschiedlichen geometrischen Eigenschaft aus einem Eingangslaserstrahl. Viele Laserbearbeitungsverfahren erfordern eine einstellbare zeitliche und räumliche Strahlformung. Diese sollte effizient und leistungstauglich sein und eine hohe Flexibilität aufweisen. Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Strahlformung effizient, leistungstauglich und mit einer hohen Flexibilität erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bearbeitungsoptik einen Polarisator, der einen Eingangslaserstrahl in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufteilt, und eine größere Weglänge für den zweiten Teilstrahl als für den ersten Teilstrahl aufweist, wodurch der zweite Teilstrahl eine längere Laufzeit als der erste Teilstrahl aufweist, und dass der entlang seines Strahlengangs in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl veränderte zweite Teilstrahl an dem Polarisator oder an einem weiteren Polarisator dem ersten Teilstrahl derart überlagert ist, dass der transmittierte Anteil des veränderten zweiten Teilstrahls und der erste Teilstrahl einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl bilden.
Die erfindungsgemäße Aufteilung und Überlagerung von Laserstrahlung mit Hilfe polarisierender Elemente in Verbindung mit der Einstellbarkeit erlaubt eine flexible Strahlformung mit hoher Effizienz und Leistungstauglichkeit. Diese ermöglicht zeitliche und räumliche Strahlformung, deren unterschiedliche Aspekte und Kombinationsmöglichkeiten sich vorteilhaft für verschiedene Applikationen nutzen lassen. Vorzugsweise umfasst die geometrische Strahleigenschaft mindestens eine aus der Gruppe bestehend aus Strahltaillenversatz, Strahldivergenzänderung, Durchlauflängenvariation, Parallelversatz, Winkelversatz, und Strahlformung.
Der Polarisator ist vorteilhaft ein Strahlteilerwürfel oder ein Dünnschichtpolarisator.
Besonders bevorzugt ist im Strahlengang des zweiten Teilstrahls ein, insbesondere schaltbares, polarisationsbeeinflussendes Element angeordnet, das die Polarisation des zweiten Teilstrahls schalten kann, um im Falle eines Laserpulses beispielsweise die Durchläufe des zweiten Teilstrahls bis zu seiner Überlagerung oder den am Polarisator jeweils transmittierten Anteil des zweiten Teilstrahls einzustellen.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen zweier Teilstrahlen mit mindestens einer unterschiedlichen geometrischen Eigenschaft aus einem Eingangslaserstrahl, der Eingangslaserstrahl an einem Polarisator in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei der zweite Teilstrahl eine größere Weglänge als der erste Teilstrahl durchläuft und dabei in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl verändert wird, und wobei der veränderte zweite Teilstrahl an dem Polarisator oder an einem weiteren Polarisator dem ersten Teilstrahl derart überlagert wird, dass der transmittierte Anteil des zweiten Teilstrahls und der erste Teilstrahl einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl bilden. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Bearbeitungsoptik mit zwei unterschied- liehen Polarisatoren;
Fign. 2 bis 15 verschiedene erfindungsgemäße Bearbeitungsoptiken mit einem einzelnen Polarisator; und
Fign. 16a bis 16c ein Anwendungsbeispiel einer Laserbearbeitung mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsvor- richtung (Fign. 16c) im Vergleich zu einer Laserbearbeitung mittels eines einzigen Laserstrahls (Fig. 16a) oder mehrerer paralleler Laserstrahlen (Fig. 16b); und
Fign. 17 bis 21 weitere Anwendungsbeispiele einer Laserbearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik. In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Wie in Fig. 16c schematisch gezeigt, weist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 zur Werkstückbearbeitung einen Laserstrahlerzeuger 2 zum Erzeugen eines Laserstrahls 3 und eine Bearbeitungsoptik 4 auf, die den Laserstrahl 3 auf ein Werkstück 25 richtet.
Die in Fig. 1 gezeigte Bearbeitungsoptik 4 umfasst
- einen ersten Polarisator 5, der den einfallenden Laserstrahl 3 in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen 3a, 3b aufteilt,
- eine größere Weglänge für den zweiten Teilstrahl 3b als für den ersten Teilstrahl 3a, wodurch der erste Teilstrahl 3a eine längere Laufzeit als der erste Teilstrahl 3b aufweist, und
- einen zweiten Polarisator 6, an dem der entlang seines Strahlengangs in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a veränderte zweite Teilstrahl 3b dem ersten Teilstrahl 3a derart überlagert ist, dass der transmittierte Anteil des veränderten zweiten Teilstrahls 3b und der erste Teilstrahl 3a einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl 3 bilden.
Die an dem zweiten Polarisator 6 wieder überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b weisen einen Laufzeitunterschied sowie auch eine geometrische Abweichung von der de- ckungsgleichen Überlagerung der Teilstrahlen auf. Diese geometrische Abweichung umfasst z.B. einen Parallelversatz, einen Winkelversatz, einen Versatz der Taillenlage, eine Divergenzänderung, eine Rotation oder Spiegelung des Strahlprofils, eine Strahlformung oder eine Kombination aus diesen, wie durch unterschiedliche Pfeile für die beiden überlagerten, zusammen den Ausgangslaserstrahl 3 bildenden Teil- strahlen 3a, 3b angedeutet ist. Die unterschiedliche geometrische Strahleigenschaft des zweiten Teilstrahls 3b ergibt sich entweder allein aufgrund seiner längeren Weglänge, wie mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben ist, oder wird im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 3b mittels einer Modifikationseinrichtung 7 erzeugt. Unter einer Überlagerung wird im Rahmen der Erfindung nicht zwangsläufig ein Überlapp der Strahlprofile am überlagernden Polarisator verstanden, sondern vielmehr, dass der sich aus der Überlagerung ergebende Ausgangsstrahl 3 nachfolgend als kombinierter Strahl genutzt wird. Allerdings erlaubt das gewählte Konzept vorteilhaft eine Überlappung der Strahlprofile am überlagernden Polarisator, erfordert also an diesem keine räumliche Trennung. Optional kann zusätzlich die Leistungsverteilung zwischen den Teilstrahlen eingestellt werden. Durch Kaskadierung können überlagerte und gesteigerte Abweichungen oder auch weitere Teilstrahlen mit weiteren Abweichungen generiert werden.
Anstatt wie in Fig. 1 an zwei unterschiedlichen Polarisatoren können Aufteilung und Überlagerung auch an einem einzelnen Polarisator 5 erfolgen, wie in Fig. 2 am Beispiel eines Strahlteilerwürfels gezeigt ist. Alternativ kann auch ein Dünnschichtpolari- sator eingesetzt werden. Fig. 2 zeigt eine Bearbeitungsoptik 4, bei der die Achsen der beiden Teilstrahlen 3a, 3b nach der Überlagerung deckungsgleich verlaufen. Der Eingangslaserstrahl 3 durchläuft vor dem Polarisator 5 ein optionales optisches Einstellelement 8, mit dem der Eingangsstrahl 3 bezüglich Polarisation, Strahldivergenz, Taillenlage, Winkel und Lage der Strahlachsen eingestellt werden kann. Das optische Einstellelement 8 kann auch zur Aufteilung des Eingangsstrahls 3 vorgesehen sein oder als schaltbares Einstellelement ausgeführt sein. Weiterhin ist nach der Überlagerung ein optionales optisches Aufbereitungselement 9 angedeutet, mit dem der überlagerte Ausgangslaserstrahl aufbereitet werden kann. Dieses Aufbereitungselement 9 kann beispielsweise fokussierende, strahlablenkende oder polarisations- beeinflussende Komponenten beinhalten.
Am Polarisator 5 wird der erste Teilstrahl 3a um 90° reflektiert und bildet direkt den einen Teilstrahl der Überlagerung. Der zweite Teilstrahl 3b wird am Polarisator 5 transmittiert und durch Umlenkelemente 10 wieder derart zum Polarisator 5 geführt, dass sich der transmittierte Anteil des zweiten Teilstrahls 3b dem ersten Teilstrahl 3a überlagert. Dabei durchläuft der zweite Teilstrahl 3b in diesem Beispiel nach der Aufteilung zunächst ein optionales optisches Einstellelement 1 1 . Wird als derartiges Einstellelement 1 1 eines mit polarisationsbeeinflussenden Eigenschaften eingesetzt, so erlaubt dies beispielsweise den am Polarisator 5 transmittierten Anteil einzustellen, der sich dem ersten Teilstrahl 3a überlagert wird, bzw. den am Polarisator 5 reflek- tierten Anteil, der sich dem zweiten Teilstrahl 3b überlagert. Der einzelne Polarisator 5 erlaubt einen räumlichen Überlapp zwischen dem aufteilenden und dem überlagernden Bereich. Die Umlenkelemente können den Strahl in einem beliebigen Winkel umlenken.
Weiterhin ist ein Linsensystem 12 angedeutet, das die Modifikationseinrichtung 7 bildet. Ist dies ein Teleskop mit 1 :1 -Abbildung, so kann damit unter Annahme eines Eingangslaserstrahls 3 geringer Divergenz eine bis auf die Spiegelung des Profils verschwindende Abweichung eingestellt werden. Weist dieses Teleskop einen ab- weichenden Abbildungsmaßstab auf, so können die Achsen der Teilstrahlen in der Überlagerung auch dann deckungsgleich eingestellt werden, die Strahldivergenz und/oder die Taillenlage werden sich jedoch unterscheiden. Auch wenn zwei identische Linsen 12 eingesetzt werden, lässt sich eine Abweichung der Taillenlage und der Divergenz der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b einstellen. Dies kann, wie in Fig. 3 durch einen Doppelpfeil 13 angedeutet, durch Variation der Weglänge, die der zweite Teilstrahl 3b zwischen den beiden Linsen 12 durchläuft, erreicht werden. Dazu werden zwei 90°-Umlenkelemente 10, die den zweiten Teilstrahl 3b insgesamt in seiner Richtung umkehren, als Einheit in dieser Richtung 13 bewegt. Wird hingegen wie in Fig. 4 die Durchlauflänge zwischen Aufteilung und Überlagerung variiert (Doppelpfeil 14), ohne die Länge zwischen den Linsen 12 zu ändern, so bleibt bei einem Eingangslaserstrahl 3 geringer Divergenz die Abweichung von Divergenz und Taillenlage der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b unbeeinflusst. Dazu werden zwei 90°- Umlenkelemente 10, die den zweiten Teilstrahl 3b insgesamt in seiner Richtung umkehren, und die beiden Linsen 12 als Einheit in dieser Richtung 14 bewegt. Aller- dings werden die Teilstrahlen 3a, 3b dabei zeitlich versetzt. Bei Laserpulsen kann so ein abweichender zeitlicher Pulsversatz eingestellt werden. Weiterhin kann der Ein- fluss der Interferenz zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b gesteuert werden.
Die Fign. 5-7 zeigen, dass ein Parallel- und/oder Winkelversatz der Strahlachsen der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b durch Translation oder Kippung von strahlumlenkenden Elementen erreicht werden kann. In Fig. 5 wird das letzte 90°- Umlenkelement 10, das den zweiten Teilstrahl 3b in Richtung Polarisator 5 umlenkt, in Richtung des einfallenden Teilstrahls 3b bewegt (Doppelpfeil 15) und dadurch der transmittierte zweite Teilstrahl 3b gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a parallelver- setzt. In Fig. 6 wird das letzte 90°-Umlenkelement 10 verkippt (Doppelpfeil 16) und dadurch der transmittierte zweite Teilstrahl 3b gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a winkelversetzt. In Fig. 7 wird der Polarisator 5 verkippt (Doppelpfeil 17) und dadurch der transmittierte zweite Teilstrahl 3b gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a winkelver- setzt. In den Fign. 5 bis 7 bilden die beweglichen Umlenkelemente 10 und der bewegliche Polarisator 5 die Modifikationseinrichtung 7.
Fig. 8 zeigt als Modifikationseinrichtung 7 ein strahlformendes Elements 18 im Strahlgang des zweiten Teilstrahls 3b zwischen Aufteilung und Überlagerung. Eine derartige Strahlformung stellt ein weiteres Beispiel für eine einstellbare Abweichung dar. Das strahlformende Element 18 kann exemplarisch auf einstellbaren Mikrospie- geln (MEMS) oder sogenannten„Spatial Light Modulators" (SLM) basieren. Auch ein statisches diffraktives, refraktives oder reflektives Strahlformungselement 18 kann in Kombination mit einer einstellbaren Abweichung eingesetzt werden. Optional kann die Durchlauflänge zwischen Aufteilung und Überlagerung variiert werden (Doppelpfeil 14).
Während sich die Achsen der beiden Teilstrahlen 3a, 3b deckungsgleich überlagern, wenn der Eingangsstrahl 3 mit der Mittenachse der Bearbeitungsoptik 4 überein- stimmt (Fign. 2-4, 8), so ist durch die Einstellung eines Versatzes zwischen Eingangslaserstrahl 3 und Mittenachse eine Abweichung der Achsen der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b einstellbar. In Fig. 9 ist dies an einem Parallelversatz zwischen dem Eingangslaserstrahl 3 und der Mittenachse 19 der Bearbeitungsoptik 4 angedeutet. So sind sowohl ein Parallelversatz als auch ein Winkelversatz (Fig. 18) der Teilstrahlen 3a, 3b in der Überlagerung einzustellen und zu kombinieren.
Fig. 10 zeigt einen auf der Mittenachse konvergent einfallenden Eingangslaserstrahl 3, der im längeren Strahlengang des zweiten Teilstrahls 3b zwischen Aufteilung und Überlagerung eine Strahltaille aufweist. Am Polarisator 5 werden dann der konver- gente erste Teilstrahl 3a und der divergente zweite Teilstrahl 3b überlagert, was zu einer Variation des Strahldurchmessers der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b führt.
Von der Fig. 5 unterscheidet sich die Fig. 1 1 lediglich dadurch, dass das polarisati- onsbeeinflussende Element 1 1 die Polarisation des zweiten Teilstrahls 3b um z.B. 45° dreht und dadurch der zweite Teilstrahl 3b am Polarisator 5 in einen transmittier- ten und einen reflektierten Anteil aufgespalten wird. Der parallelversetzte transmittier- te Anteil wird dem ersten Teilstrahl 3a überlagert, während der reflektierte Anteil erneut den Strahlengang des zweiten Teilstrahls 3b mit dem polarisationsbeeinflus- senden Element 1 1 durchläuft, am Polarisator 5 erneut in einen transmittierten und einen reflektierten Anteil aufgespalten wird, usw. Der überlagerte Ausgangslaserstrahl ist somit aus dem ersten Teilstrahl 3a und mehreren parallel versetzten zweiten Teilstrahlen 3b gebildet. Im Unterschied zur Fig. 1 1 dreht oder spiegelt in Fig. 12 das polansationsbeeinflussende Element 1 1 die Polarisation des zweiten Teilstrahls um 90°, so dass der zweite Teilstrahl 3b am Polarisator 5 nicht nach dem ersten Umlauf, sondern erst nach dem zweiten Umlauf, wenn seine Polarisation insgesamt um 180° gedreht worden ist, transmittiert wird. Der überlagerte Ausgangslaserstrahl ist somit aus dem ersten Teilstrahl 3a und dem doppelt parallelversetzten zweiten Teilstrahlen 3b gebildet.
In Fig. 13 ist das polansationsbeeinflussende Element 1 1 als Schalter ausgeführt. Wird beispielsweise ein Laserpuls mit einer Dauer kleiner als die Zeitspanne eines einmaliges Umlaufs des zweiten Teilstrahls 3b als Eingangslaserstrahl 3 verwendet, so kann das polansationsbeeinflussende Element 1 1 so eingestellt sein, dass die Polarisation des zweiten Teilstrahls 3b nach der Aufteilung um 90° gedreht wird, so dass dieser Strahl nicht ausgekoppelt wird, sondern nochmal umläuft. Wird vor dem nächsten Umlauf das polansationsbeeinflussende Element 1 1 umgeschaltet, so dass die Polarisation nicht gedreht wird, so läuft der zweite Teilstrahl 3b so oft um, bis wieder eine Polarisationsdrehung erfolgt und der zweite Teilstrahl 3b entsprechend parallelversetzt transmittiert wird. Es wird also ein polarisationsbeeinflussender Schalter 1 1 genutzt, um über die Anzahl der Umläufe den Parallelversatz gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a einzustellen. In Fig. 14 ist angenommen, dass die Polarisation des Eingangsstrahls 3 so gewählt ist, dass kein erster Teilstrahl zur Überlagerung beitragt, sondern sich die Überlagerung kaskadiert aus dem zweiten Teilstrahl 3b ergibt. Der polansationsbeeinflussende Schalter 1 1 wird zeitlich so gesteuert, dass analog zu Fig. 1 1 mehrere parallelversetzte zweite Teilstrahlen 3b ausgekoppelt werden. Im Unterschied zur Fig. 14 ist in Fig. 15 der polarisationsbeeinflussende Schalter 1 1 so gesteuert, dass nur ausgewählte zweite Teilstrahlen 3b zur kaskadierten Überlagerung beitragen. Bei einer wählbaren Anzahl von überlagerten zweiten Teilstrahlen 3b kann es wünschenswert sein, nicht die volle Energie zu nutzen. Aus diesem Grund wird der ausgekoppelte rechte Teilstrahl mittels eines Umlenkelements 20 aus dem Ausgangsstrahl wieder herausgelenkt und einem Absorber (nicht gezeigt) zugeführt. Die Kaskadierung der Aufteilung und Überlagerung kann auch durch serielle Anordnung mehrerer Auftei- lungs- und Überlagerungseinheiten erfolgen. In den Fign. 14 und 15 wird der Eingangslaserstrahl 3 am Polarisator 5 zunächst transmittiert und erst beim erneuten Auftreffen auf den Polarisator 5, also nach einmaligem Umlauf, in den transmittierten ersten Teilstrahl 3a und in den nochmals umlaufenden zweiten Teilstrahl 3b aufgespalten. Neben der ausführlich dargestellten Führung eines Teilstrahles 3b im Ring sind auch andere Aufteilungs- und Überlagerungskonzepte denkbar. Es können auch verschiedene getrennt generierte Teilstrahlen 3a, 3b mit unterschiedlichen geometrischen Abweichungen überlagert, realisiert und kombiniert werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 4 für die Laserbearbeitung kann mit anderen Optikkomponenten als dem bisher aufgeführten Aufbereitungselement 9 kombiniert werden. Selbstverständlich können auch reflektive Fokussierungen verwendet werden. Es bieten sich beispielsweise auch nachgeordnete Scanner an. Die Kombination mit der Aufteilungs- und Überlagerungseinheit vor- oder nach- geschalteten diffraktiven, refraktiven oder reflektiven Strahlformung ist erfindungsgemäß ebenso möglich wie eine nachgeschaltete Optik zur Ausrichtung der Vorzugsrichtung von Auslenkung oder Strahlform. Bei entsprechender zeitlicher Steuerung der vorgeschalteten oder integrierten polarisationsbeeinflussenden Elemente verbunden mit der Weglängendifferenz der Teilstrahlen 3a, 3b, kann die Aufteilungs- und Überlagerungseinheit auch zur Modulation und Pulsformung eingesetzt werden und erlaubt dabei auch eine Leistungsüberhöhung gegenüber dem Eingangsstrahl.
Die abweichende Polarisation der Teilstrahlen 3a, 3b in Verbindung mit dem zeitlichen Versatz kann vorteilhaft genutzt werden, um Polarisationseffekte in der Applika- tion zu steuern. So ist bekannt, dass bei der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen linearer Polarisation periodische Strukturen auf der Oberfläche oder im transparenten Volumen auftreten. Durch andere Polarisation lassen sich andere Strukturen erzeugen. Durch die Applikation von Teilstrahlen 3a, 3b mit orthogonal ausgerichteter Polarisation und geringem Zeitversatz kann die Ausbildung derartige Nanostrukturen unterdrückt oder in ihrer Ausbildung kontrolliert werden.
Obwohl in den Figuren nur zweidimensional dargestellt, kann die Strahlführung des zweiten Teilstrahls 3b auch dreidimensional ausgebildet sein.
Bei vielen Anwendungen in der Materialbearbeitung ergibt sich bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche nicht die gewünschte Geometrie. Durch einen Anstellwinkel des Laserstrahls kann die Geometrie geändert werden. Mit einem einzelnen Strahl sind die Einflussmöglichkeiten jedoch begrenzt. Eine Strahl- Überlagerung bietet sich hier an, wie am Beispiel eines abtragenden Schnittes in transparentem Material an Hand von Fig. 16c erläutert wird. Bei transparenten Materialien kann die nichtlineare Absorption absorptionssteigernd genutzt werden. Die Absorption ist somit sehr stark intensitätsabhängig. Soll beispielsweise ein Schnitt in Gläsern mit Hilfe eines Laserstrahls 3 durchgeführt werden, indem ein einzelner Strahl mehrfach auf der gleichen Bahn über das Glas geführt wird, so nimmt der Abtrag pro Überfahrt häufig mit steigender Anzahl der Überfahrten ab. In Fig. 16 ist der Querschnitt durch ein Werkstück 25 aus transparentem Material gezeigt, bei dem ein Abtrag durch einen Laserstrahl 3 erfolgt, der von oben auf das Werkstück 25 einfällt und der relativ zum Werkstück 25 senkrecht zur Querschnittsfläche bewegt wird.
Ist das Material hinreichend dick, dann kann der Abtrag prozess vollkommen stoppen (Fig. 16a). Der sich ausbildende keilförmige Spalt 21 ist charakteristisch, und die Breite des Keils ergibt sich aus dem starken Schwellverhalten des Abtrags. Nur in den Bereichen, in denen die Intensität zur Ausbildung ausgeprägter nichtlinearer Ab- sorption ausreicht, kann ein Abtrag erfolgen. Mit zunehmendem Prozessfortschritt bilden sich Flanken in der Abtraggeometrie aus. Der Laserstrahl hat also in diesen Bereichen einen flacheren Einfallswinkel. Dadurch wird einerseits das Verhältnis von reflektierter zu eingekoppelter Strahlung an der Grenzfläche geändert. Andererseits vergrößert sich die bestrahlte Fläche, die Intensität auf der Oberfläche sinkt, der Ab- trag wird reduziert, bis der zum Stoppen kommt. Wie in Fig. 16b dargestellt, können tiefere Schnitte auch bei senkrechtem Einfall erzielt werden, indem mehrere Laserstrahlen 3 parallel versetzt geführt werden. Allerdings lässt sich auch so keine senkrechte Schnittkante erzeugen, und weiterhin muss mit steigender Schnitttiefe immer breiter abgetragen werden.
In Fig. 16c erfolgt - z.B. mit der in Fig. 5 gezeigten Bearbeitungsoptik 4 - ein Parallelversatz der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b, der dann von einer nachfolgenden Fokussierlinse 22 in einen Winkelversatz umsetzt wird. Die Teilstrahlen schneiden oberhalb der Bearbeitungszone, und der Anstellwinkel zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b ist so eingestellt, dass sich parallele Schnittkanten ergeben. Dadurch lässt sich ein Schnittspalt 21 mit senkrechten Kanten über große Schnitttiefen erzielen. Dabei werden die Lage des Schnittpunkts relativ zur Taillenlage der Teilstrahlen 3a, 3b, der Winkel zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b, sowie die Lage des Schnittpunkts relativ zur Abtragfront geeignet gewählt. Bei größeren Tiefen wird mindestens dieser
Schnittpunkt mit fortschreitendem Prozessfortschritt nachgeführt. Auch weitere der genannten Parameter können im Verlaufe des Prozesses angepasst werden, insbesondere wenn auch weitere Parameter, wie z.B. die Pulsenergie, mit zunehmender Tiefe variiert werden. Die erfindungsgemäße Strahlüberlagerung kann hier beson- ders vorteilhaft eingesetzt werden, indem der zeitliche Versatz zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b einerseits so groß gewählt wird, dass sich keine störenden Interferenzeffekte zwischen diesen ergeben, andererseits so klein, dass die Teilstrahlen 3a, 3b hinsichtlich der für den Austrieb der Abtragprodukte wesentlichen Strömungen gleichzeitig wirken.
Ein Parallelversatz der beiden Teilstrahlen 3a, 3b vor der Fokussierlinse 22, der durch die Fokussierung zu einem Winkelversatz auf dem Werkstück 25 führt, kann auch zur Erzeugung eines Hinterschnitts 23 in dem Werkstück 25 genutzt werden, wie dies in Fig. 17 mit der in Fig. 5 gezeigten Bearbeitungsoptik 4 gezeigt ist. Derarti- ge Hinterschnitte 23, wie sie z.B. bei Klebe- oder sonstigen Verbindungen durch Ergänzung der stoffschlüssigen durch eine formschlüssige Komponente eingesetzt werden, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 4 vorteilhaft herstellen. Ein einstellbarer Winkelversatz der Bearbeitungsoptik 4 kann zur Generierung eines Parallelversatzes auf dem Werkstück 25 eingesetzt werden. Fig. 18 zeigt, dass dieser Parallelversatz im Werkstück 25 zu einem Materialabtrag führt, bei dem die Abtragprodukte im Wesentlichen zwischen den beiden Teilstrahlen 3a, 3b ausgetrieben werden. Der Abstand der beiden Teilstrahlen 3a, 3b, die Strahlparameter und die Laserparameter werden entsprechend der Anforderungen und der Eigenschaften des Werkstücks 25 eingestellt. In Fig. 18 ist der Winkelversatz durch einen unter einem Winkel zur Mittenachse einfallenden Eingangslaserstrahl 3 generiert. Winkel- und Ortsversatz der Teilstrahlen 3a, 3b können auf dem Werkstück 25 auch kombiniert werden, wobei die die Vorzugrichtungen des Versatzes einstellbar sind. Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft, wie in Fign. 17 und 18 gezeigt, den Versatz quer zur Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstück 25 auszurichten. Für andere Anwendungen ist es vorteilhaft, den Versatz parallel zur Bewegung aus- zurichten. Bei sich ändernder Bewegungsrichtung kann die Vorzugsrichtung des Versatzes bei entsprechender Ausführung der Bearbeitungsoptik 4 angepasst werden.
In Fig. 19 ist eine Laserbearbeitung unter Nutzung der in Fig. 10 gezeigten einstellbaren Bearbeitungsoptik 4 dargestellt, bei der die Teilstrahlen 3a, 3b einen Versatz der Strahltaillen in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung aufweisen. Dieser Fokusversatz ist so eingestellt, dass die Bearbeitung des transparenten Materials auf Ober- und Unterseite mittels eines einzigen Eingangsstrahls erfolgt.
Fig. 20 zeigt ein weiteres Beispiel für die Bearbeitung mit longitudinalem Fokusver- satz. Auch hier wird ein transparentes Werkstück 25 bearbeitet und dabei ausgenutzt, dass die Absorption nur in einem Volumen in der Nähe der Foki ausreichend hoch ist, um die für die gewünschte Bearbeitung erforderliche Temperatur zu erreichen. Dabei kann die Absorption durch nichtlineare Effekte oder durch partielle Absorption dominiert oder auch initiiert sein. In Fig. 20 erfolgt eine Schmelzbildung gleichzeitig in den Fokusvolumina beider Teilstrahlen 3a, 3b. Die aufgeschmolzenen Bereiche bilden nachfolgend (zeitlich oder dem bewegten Strahl nachlaufend) ein kombiniertes Schmelzvolumen 24, wodurch die beiden Werkstücke 25 gefügt werden. Im Unterschied zu bekannten Bondverfahren erlaubt die einstellbare Überlage- rung der Teilstrahlen 3a, 3b eine gezielte Steuerung des Schmelzvolumens 24, wodurch Rissbildung vermieden und eine Spaltüberbrückung möglich wird.
Fig. 21 zeigt ein Beispiel für eine einstellbare Bearbeitungsoptik 4, bei der die zwei Teilstrahlen 3a, 3b unterschiedliche Taillendurchmesser und Rayleighlänge aufweisen. Bei der gezeigten Anwendung wird ein Teilstrahl hoher Divergenz genutzt, durch die im Fokus lokal eine Absorption generiert wird, diese initiale Absorption dann entlang des Strahlprofils geringerer Divergenz durch ein im Anfangszustand weitgehend transparentes Medium gezogen wird. Dabei können transiente Effekte wie tempera- turabhängige Absorption oder die Absorptionserhöhung durch die Generierung von freien Ladungsträgern oder Fehlstellen genutzt werden. Vorteilhaft ist demnach, wenn der Teilstrahl starker Fokussierung zeitlich dem anderen Teilstrahl vorläuft. Dabei kann einerseits die durch Weglängendifferenz der Teilstrahlen 3a, 3b bedingte Verzögerung eingesetzt werden. Andererseits kann aber auch die Polarisation des Eingangsstrahls 3 über ein vorgeschaltetes polarisationsbeeinflussendes Element 8 gesteuert werden, um zeitlich die Leistungsaufteilung auf die Teilstrahlen 3a, 3b einzustellen.
Es versteht sich, dass auch der erste Teilstrahl 3a in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft verändert werden kann, während der zweite Teilstrahl 3b, obwohl er eine größere Weglänge durchläuft, unverändert bleibt.

Claims

Patentansprüche
1 . Laserbearbeitungsvorrichtung (1 ) zur Werkstückbearbeitung, mit einer Bearbeitungsoptik (4), die einen Laserstrahl (3) auf ein Werkstück (25) richtet, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bearbeitungsoptik (4) aufweist:
- einen Polarisator (5), der einen Eingangslaserstrahl (3) in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen (3a, 3b) aufteilt, und
- eine größere Weglänge für den zweiten Teilstrahl (3b) als für den ersten Teilstrahl (3a), wodurch der zweite Teilstrahl (3b) eine längere Laufzeit als der erste Teilstrahl (3a) aufweist,
und dass der entlang seines Strahlengangs in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl (3a) veränderte zweite Teilstrahl (3b) an dem Polarisator (5) oder an einem weiteren Polarisator (6) dem ersten Teilstrahl (3a) derart überlagert ist, dass der transmittierte Anteil des veränderten zweiten Teilstrahls (3b) und der erste Teilstrahl (3a) einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl (3a, 3b) bilden.
2. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Strahleigenschaft mindestens eine aus der Gruppe bestehend aus Strahltaillenversatz, Strahldivergenzänderung, Durchlauflängenvariation, Parallelversatz, Winkelversatz und Strahlformung umfasst.
3. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des zweiten Teilstrahls (3b) eine insbesondere einstellbare Modifikationseinrichtung (7) angeordnet ist, die den zweiten Teilstrahl (3b) in der mindestens einen geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl (3a) verändert.
4. Laserbearbeitungsvornchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des zweiten Teilstrahls (3b) Umlenkelemente (10) angeordnet sind, die den zweiten Teilstrahl (3b) wieder derart zu dem Polarisator (5) führen, dass der an dem Polarisator (5) transmit- tierte Anteil des zweiten Teilstrahls (3b) dem ersten Teilstrahl (3a) überlagert ist, um den gemeinsamen Ausgangslaserstrahl (3a, 3b) auszubilden, wobei insbesondere die Strahlachsen der beiden Teilstrahlen (3a, 3b) übereinander liegen.
5. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (3) auf den Polarisator (5) entweder kollinear zur Mittenachse (19) der Bearbeitungsoptik (4) oder parallelversetzt zur Mittenachse (19) der Bearbeitungsoptik (4) oder unter einem Winkel zur Mittenachse (19) der Bearbeitungsoptik (4) einfällt.
6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang des zweiten Teilstrahls (3b) eine zwei- oder dreidimensionale Strahlführung aufweist.
7. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (5) ein Strahlteilerwürfel oder ein Dünnschichtpolarisator ist.
8. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des zweiten Teilstrahls (3b) ein, insbesondere schaltbares, polansationsbeeinflussendes Element (1 1 ) angeordnet ist.
9. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polansationsbeeinflussendes Element (1 1 ) die Polarisation des zweiten Teilstrahls (3b), insbesondere um 90°, dreht oder spiegelt.
10. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Eingangslaserstrahls (3) dem Polarisator (5) ein polahsationsbeeinflussendes Element (8) vorgeordnet ist.
1 1 . Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der überlagerten Teilstrahlen (3a, 3b) dem Polarisator (5) ein Aufbereitungselement (9), insbesondere eine Fokussieroptik (22), nachgeordnet ist.
12. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (3) beim ersten Auftreffen auf den Polarisator (5) transmittiert und erst bei einem erneuten Auftreffen auf den Polarisator (5) in die beiden Teilstrahlen (3a, 3b) aufgespalten ist.
13. Verfahren zum Erzeugen zweier Teilstrahlen (3a, 3b) mit mindestens einer unterschiedlichen geometrischen Eigenschaft aus einem Eingangslaserstrahl (3), wobei der Eingangslaserstrahl (3) an einem Polarisator (5) in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen (3a, 3b) aufgeteilt wird,
wobei der zweite Teilstrahl (3b) eine größere Weglänge als der erste Teilstrahl (3a) durchläuft und dabei in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl (3a) verändert wird, und
wobei der veränderte zweite Teilstrahl (3b) an dem Polarisator (5) oder an einem weiteren Polarisator (6) dem ersten Teilstrahl (3a) derart überlagert wird, dass der transmittierte Anteil des zweiten Teilstrahls (3b) und der erste Teilstrahl (3a) einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl (3a, 3b) bilden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrahl (3b) aufgrund seiner längeren Weglänge in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl (3a) verändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (3) auf den Polarisator (5) entweder kollinear zur Mittenachse (19) der Bearbeitungsoptik (4) oder parallel versetzt zur Mittenachse (19) der Bearbeitungsoptik (4) oder unter einem Winkel zur Mittenachse (19) der Bearbeitungsoptik (4) einfällt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (3) konvergent einfällt und im zweiten Teilstrahl (3b) eine nicht verschwindende Divergenz aufweist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des zweiten Teilstrahls (3b) mittels eines insbesondere schaltbaren, polarisationsbeeinflussenden Elements (1 1 ) gedreht wird und zumindest teilweise den Strahlengang nochmals durchläuft.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Durchläufe durch Schalten des polarisationsbeeinflussenden Elements (1 1 ) eingestellt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (3) beim ersten Auftreffen auf den Polarisator (5) transmittiert und erst bei einem erneuten Auftreffen auf den Polarisator (5) in die beiden Teilstrahlen (3a, 3b) aufgespalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilstrahlen (3a, 3b) zur Bearbeitung eines Werkstücks (5)) genutzt werden.
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