WO2021110895A1 - Verfahren und optisches system zum laserstrahl-modifizieren eines für den laserstrahl zumindest weitgehend transparenten materials - Google Patents

Verfahren und optisches system zum laserstrahl-modifizieren eines für den laserstrahl zumindest weitgehend transparenten materials Download PDF

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WO2021110895A1
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laser beam
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pulse
axicon
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Daniel FLAMM
Myriam Kaiser
Jonas Kleiner
Roman PRIESTER
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for laser beam modification of a material which is at least largely transparent to a laser beam, as well as an optical system for laser beam modification of such a material.
  • elongated channels are to be produced in the at least largely transparent material, "elongated” meaning that a longest extension of such a channel is greater, in particular many times greater, than a channel width dimension of the channel, in particular a channel diameter of the canal.
  • Such channels with a diameter of at least 10 ⁇ m which are also referred to as microchannels, can be produced in glass by means of a two-stage process by combining laser modifications, in particular by means of a Bessel-like laser beam, and subsequent selective etching.
  • the invention is based on the object of creating a method and an optical system for laser beam modification of a material that is at least largely transparent to the laser beam, in particular providing a possibility of overcoming geometric restrictions in the production of elongated channels.
  • the object is achieved in that the present technical teaching is created, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
  • the object is achieved in particular by creating a method for laser beam modification of a material that is at least largely transparent for the laser beam, whereby a focus zone of an individual pulse of the laser beam, i.e. a laser beam individual pulse, which is elongated in the direction of beam propagation, interacts with the material becomes.
  • a channel penetrating the material from a first end face to a second end face also becomes a channel width dimension of at most 10 mih and in particular at most 1 mih.
  • a single laser pulse namely the single pulse, to create a channel with a channel width dimension on the nanoscale, i.e. on the nanometer scale, i.e. up to a maximum of 1 pm, in the material, which completely penetrates the material from end face to end face produce.
  • the channel is generated by means of a pulse train, also called a burst, the pulse train having a plurality of individual pulses.
  • the pulse train has two individual pulses.
  • individual pulses of the pulse train have a time interval of 10 ns to 20 ns.
  • the channel is particularly elongated, that is, its longest extension, which at the same time defines an axial direction and extends in the direction of beam propagation of the laser beam, is larger, in particular many times larger, than the width of the channel.
  • the channel thus has a high aspect ratio, that is to say the ratio of an expansion in the direction of beam propagation to a lateral expansion perpendicular to the direction of beam propagation.
  • the channel is designed in particular as a hollow channel.
  • the channel is created as a so-called “void” in the material, that is to say in particular as a void.
  • a laser beam modification is understood to mean, in particular, that the material is changed in areas with regard to at least one property through the interaction with the laser beam, in particular with the elongated focus zone.
  • material is removed in a center, that is, a radially inner area of the elongated focus zone, that is, a "void" is created, and on the other hand, a compacted zone, also as a compressed zone, is created in a radially outer area of the elongated focus zone denotes, or created a compacted shell, in which material is present, but at least one physical property of the material is changed; in particular, the optical density and / or mass density of the material is increased compared to regions in which the material did not interact with the elongated focus zone.
  • the material which is largely transparent to the laser beam, can in particular be extended to a length up to the length of the elongated focus zone absorb less than 20%, preferably less than 10%, of the incident light.
  • the material interacts with the laser beam, preferably through non-linear effects, in particular non-linear absorption.
  • glass preferably fused silica or borosilicate glass, is used as the material for the method proposed here.
  • An elongated focus zone is understood here to mean, in particular, a three-dimensional intensity distribution of the laser beam which, with regard to a target threshold intensity, is defined by an aspect ratio of at least 10: 1, preferably 20: 1, preferably 30: 1, preferably more than 20: 1, preferably more than 30: 1 , is marked.
  • Such an elongated focus zone leads in particular to a modification of the material with an at least similar aspect ratio.
  • the direction of the longest extension of the elongated focus zone, that is to say at the same time the direction of beam propagation, and the direction of the longest extension of the channel define the axial direction here.
  • a radial direction is perpendicular to the axial direction.
  • a circumferential direction concentrically surrounds the axial direction.
  • the channel penetrates the material in particular in the direction of beam propagation from the first end face to the second end face.
  • the first end face and the second end face lie opposite one another in the direction of beam propagation.
  • the first end face and the second end face delimit the material from an environment.
  • the channel opens into the surroundings both in the area of the first end surface and in the area of the second end surface; the channel is in particular designed to be open on both sides.
  • the channel penetrates the material completely from the first end face to the second end face.
  • the channel width dimension is understood to mean, in particular, a greatest extent of the channel perpendicular to the axial direction, that is to say in the lateral or radial direction. If, according to a preferred embodiment, the channel is designed to be cylindrically symmetrical, the channel width dimension is preferably a diameter of the channel, also referred to as the channel diameter.
  • a plurality of channels is preferably produced in the material.
  • each individual pulse or pulse train generates a channel.
  • the Laser beam i.e. the individual pulses or pulse trains, is / are preferably generated with a repetition rate of 10 kHz. In this way, channels with a repetition rate of 10 kHz can also be generated at the same time.
  • the laser beam is preferably designed as a Bessel beam or a Bessel-like beam, or as a quasi-Airy beam.
  • the elongated focus zone of the laser beam is preferably designed as a zero-order Bessel-like beam or as a superposition of Bessel-like beams, possibly also of a higher order.
  • the channel width dimension of the channel is set to a predetermined value by selecting a value corresponding to the channel width dimension of the channel for at least one parameter, the at least a parameter is selected from a group consisting of: an angle of a real or virtual axicon for generating the elongated focus zone; an input beam diameter of an input beam for the axicon; and a pulse energy of the single pulse.
  • the channel width dimension can advantageously be set, that is to say predetermined, in that the at least one parameter, that is to say the value for the at least one parameter, is suitably selected.
  • the real axicon is designed as a diffractive or refractive or reflective optical element.
  • the real axicon can be designed as a concave or convex axicon, a concave axicon also being referred to in particular as an inverse axicon.
  • a real axicon is understood to mean, in particular, an optical lens, in particular a conically ground lens.
  • the angle of the real axicon can in particular be set by selecting a suitable lens geometry with the corresponding angle, in particular by exchanging the axicon used. It is also possible, however, to use an axicon, also referred to as Al varez axicon, which has at least two plate-like optical elements that can be displaced laterally relative to one another, each of which has a position-dependent thickness and is shorter in the direction of beam propagation in the optical path of the laser beam Distance can be arranged one behind the other.
  • optical elements are arranged with respect to one another in such a way that a sum of the position-dependent thicknesses of both optical elements describes a conical surface, the optical elements together form an axicon.
  • the angle of the axicon can be changed by shifting the optical elements relative to one another - in particular in the lateral direction - are influenced.
  • Such an axicon is disclosed in particular in US Pat. No. 9,261,702 B2.
  • a virtual axicon is understood to mean an axicon which, according to its function, is formed by a beam shaping element, in particular a phase influencing element or a phase mask, preferably in combination with optics, in particular far-field optics and near-field optics, the optics in a preferred embodiment as an objective or telescope can be formed.
  • the virtual axicon is particularly preferably provided by a programmable phase mask, in particular a controllable spatial light modulator (SLM), which can in particular be combined with suitable optics.
  • SLM spatial light modulator
  • An angle of the virtual axicon can in particular be set by changing the beam shape properties of the phase mask.
  • a beam-shaping element in particular a phase mask, with a permanently written beam-shaping property, in particular a permanently written diffractive optical element (DOE), is used as the virtual axicon.
  • DOE diffractive optical element
  • the angle of the axicon can then be set in particular by selecting the beam shaping element, in particular by exchanging the beam shaping element.
  • a moiré axicon which is preferably formed from a cascaded arrangement of diffractive optical elements which together have a controllable or changeable refractive power.
  • the refractive power here in particular the axicon angle, can be set, in particular changed, in particular by rotating the diffractive optical elements relative to one another around the direction of beam propagation.
  • Such a moiré axicon can also be combined, in particular, with suitable optics.
  • Such a moiré axicon is disclosed, for example, in S. Bernet et al., “Adjustable refractive power from diffractive Moire elements”, Applied Optics, Vol. 47, no. 21, 2008, 3722 to 3730.
  • An Alvarez axicon as a real axicon, as well as a virtual axicon with a programmable phase mask, or a moiré axicon, make it possible to change the axicon angle flexibly without having to swap the axicon.
  • a real axicon can also be combined with suitable optics, in particular near-field optics in combination with far-field optics, in particular with an objective or with a telescope.
  • An objective with 20-fold magnification is preferably used as the optics.
  • a hollow cone axicon or a reflective axicon can also be used as a real axicon. At least a partial function of the optics, in particular the function of the far-field optics, can already be integrated into such an axicon.
  • At least a partial function of the optics in particular the far-field optics, can also be integrated into a virtual axicon, in particular a phase mask, but also in a moiré axicon, so that no separate optical element is required for this.
  • the axicon angle is preferably selected in a range from at least 1 ° to at most 5 °, preferably from at least 2 ° to at most 4 °, preferably 2 °, preferably 3 °, preferably 4 °.
  • the angle of the axicon influences in particular on the one hand the diameter of the elongated focus zone and thus at the same time the resulting channel width dimension, and on the other hand also the extent of the elongated focus zone in the direction of beam propagation.
  • Particularly long focus zones preferably in the range of several 100 micrometers up to several millimeters in length, can be generated with the above-mentioned angle ranges and the specific angles for the axicon.
  • the angle of the axicon is directly inversely proportional to the energy density in the beam maximum, which in particular influences the width dimension of the affected zone in the material, in particular a compression width dimension of the compressed or compressed zone.
  • the input beam striking the axicon is preferably a Gaussian beam.
  • the input beam diameter of the input beam determines in particular the length and diameter of the elongated focus zone.
  • a telescope is preferably provided in front of the axicon in the direction of beam propagation.
  • the pulse energy of the single pulse is also decisive for the channel width dimension of the resulting channel.
  • the channel width dimension is changed by changing the value for the at least one parameter selected from the angle of the axicon, the beam diameter of the input beam for the axicon, and the pulse energy of the individual pulse.
  • the elongated focus zone as a jointly elongated focus zone by spatially supplementing and / or superimposing several partial laser beams, in particular with different polarizations, in particular higher-order Bessel-like beams, in particular Bessel vortex and / or Petal -Beam, is generated.
  • different diameters for the elongated focus zone and thus different channel width dimensions can be set flexibly.
  • different cross-sectional shapes can be set for the elongated focus zone and thus at the same time for the channel being created. The creation of elliptical or cross-shaped channels is also possible.
  • the channel width dimension in particular the channel diameter, is preferably set, preferably changed, in that the spatial addition and / or superposition of the partial laser beams is selected, preferably changed, in a certain way.
  • a channel with an elliptical cross section is generated by using an elongated focus zone with an elliptical cross section.
  • a laser beam with a wavelength of 1030 nm is used.
  • the laser beam is preferably generated as a pulsed laser beam by means of a laser medium which has ytterbium-doped yttrium-aluminum garnet or consists of ytterbium-doped yttrium-aluminum garnet, also referred to as Yb: YAG.
  • the TruMicro 2030 system from the company is preferred as the laser beam source TRUMPF is used in the form valid on the day that determines the seniority of this property right.
  • the pulse energy is preferably selected in a range from at least 10 pJ to at most 10 mJ, preferably from at least 30 pj, preferably up to at most 1 mJ, preferably up to at most 900 pj, preferably up to at most 800 pj, preferably up to at most 700 pj, preferably up to at most 600 pj, preferably up to at most 500 pj, preferably up to at most 400 pj, preferably up to at most 300 pj, preferably up to at most 200 pj, preferably up to at most 100 pj, preferably up to at most 50 pj.
  • elongated channels with a very high aspect ratio, in particular channels whose channel width dimension is at most 1 ⁇ m, preferably 200 nm to at most 950 nm.
  • the length of such a channel is preferably from at least 200 ⁇ m to at most 12 mm, preferably 350 ⁇ m, preferably 700 ⁇ m, preferably from at least 250 ⁇ m to at most 900 ⁇ m, preferably up to at most 1 mm, preferably up to at most 2 mm, preferably up to at most 3 mm, preferably to a maximum of 4 mm, preferably to a maximum of 5 mm, preferably to a maximum of 6 mm, preferably to a maximum of 7 mm, preferably to a maximum of 8 mm, preferably to a maximum of 9 mm, preferably to a maximum of 10 mm, preferably to a maximum of 11 mm.
  • the angle for the real or virtual axicon is in the range from at least 1 ° to at most 5 °, preferably 2 °, preferably 3 °, preferably 4 °, and at the same time the pulse energy is in the range from at least 30 pj to at most 1 mJ, in particular at least 30 pj to at most 50 pj is selected, elongated channels with a very high aspect ratio can be produced which also strengthen larger material, in particular up to several millimeters.
  • the fluence of the individual pulse is approximately 90 J / cm 2 .
  • a pulse duration of the individual pulse is at least 200 fs to at most 500 fs, preferably from at least 300 fs to at most 400 fs.
  • a pulse duration of the individual pulse is at least 100 fs to at most 10 ps.
  • channels with a very high aspect ratio can be produced in
  • the channel width dimension in particular the channel diameter
  • the channel width dimension is expanded by etching.
  • the hollow width dimension of the channel i.e. the void width dimension of that area of the interaction zone in which material is removed
  • the pulse energies mentioned here a void width dimension of a maximum of approximately 500 nm to 600 nm can be generated.
  • the compression width dimension of the compressed zone that is to say the compressed zone, in particular the compression diameter of the compressed zone, scales approximately linearly with the pulse energy.
  • the material in the area of the compressed zones can be etched selectively and with high efficiency, so that when an etching substance acts, the compressed zone is selectively attacked and etched, but the rest of the material in the uncompressed area is spared.
  • the channels can be effectively and efficiently widened to the compression width dimension by etching, which in turn is determined by the choice of the pulse energy.
  • the channels are preferably widened by wet chemical etching.
  • a preferably aqueous potassium hydroxide solution in particular with a potassium hydroxide concentration of 28% by weight, is preferably used for the etching.
  • the etching time is preferably at most 15 minutes.
  • the etching time depends in particular on the channel width dimension to be achieved. In particular, the channel width dimension can be determined by choosing the etching time.
  • the etching is preferably carried out at 80 ° C.
  • the etching is preferably carried out under the action of ultrasound.
  • the object is also achieved by creating an optical system for laser beam modification of a material that is at least largely transparent for the laser beam, which has a laser beam source for generating an input beam and a beam shaping device.
  • the beam shaping device is designed to shape the input beam into a focus zone elongated in the direction of beam propagation, and to bring the material into interaction with the elongated focus zone, in such a way that the material from a single pulse or pulse train from individual pulses of the laser beam interacts with the material first end face to a second end face penetrating channel with a channel width dimension of at most 10 pm and in particular at most 1 pm is generated.
  • the optical system preferably has a setting device which is set up to set at least one parameter of the laser beam source and / or the beam shaping device.
  • the setting device is preferably set up to change the at least one parameter.
  • the setting device is set up to set, preferably to change, at least one parameter which is selected from a group consisting of: an angle of a real or virtual axicon; an input beam diameter of an input beam for the axicon, and a pulse energy of the single pulse.
  • the beam shaping device preferably has a real or virtual axicon, in particular according to one of the exemplary embodiments described above.
  • the beam shaping device preferably has at least one optic in combination with the real or virtual axicon, in particular near-field optics and / or far-field optics, in particular an objective (in particular 20x) or telescope.
  • the beam shaping device is preferably set up to generate the elongated focus zone as a common elongated focus zone by spatially supplementing and / or superimposing a plurality of partial laser beams.
  • the beam-shaping device is preferably set up to set, preferably change, the resulting channel width dimension of the channel by selecting, preferably changing, the spatial addition and / or superposition of the partial laser beams in a certain way.
  • the beam shaping device is preferably preceded by beam influencing optics in the direction of beam propagation, by means of which the input beam diameter can be changed.
  • the beam influencing optics preferably have an in particular adjustable, in particular controllable telescope.
  • the optical system is preferably characterized by at least one feature of the optical system which has been explained explicitly or implicitly in connection with the method.
  • the optical system is preferably set up to carry out a method according to the invention or one of the above-described embodiments of the method.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an optical system for laser beam modification of a material that is at least largely transparent to the laser beam
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an in the context of an embodiment
  • the optical system I has a laser beam source 7 which is set up to use an input laser beam as an input beam 9 for a beam shaping device ff of the optical system I.
  • the beam shaping device ff is set up to generate an elongated focus zone of the laser beam 3, and to bring the material 5 into interaction with the elongated focus zone of a single pulse of the laser beam 3, in such a way that the material 5 from a first end surface 13 to a second End face 15 penetrating channel 17 is generated, which has a channel width dimension, in particular a channel diameter, of at most 1 pm.
  • the laser beam source 7 preferably generates the input beam 9 with a repetition rate of 10 kHz.
  • the individual pulse is also preferably generated with a repetition rate of 10 kHz.
  • the beam shaping device 11 preferably has an axicon 19, which can be designed as a real or virtual axicon.
  • the beam shaping device 11 preferably has optics 21, which in particular include near-field optics and / or far-field optics.
  • the optics 21 can be designed as a telescope or objective, preferably as an objective with 20 times magnification.
  • the axicon 19 is set up to generate the elongated focus zone - preferably in cooperation with the optics 21.
  • the beam shaping device 11 preferably comprises a setting device 23 which is set up to set, preferably to change, at least one parameter of the beam shaping device 11 and / or the laser beam source 7, which corresponds to the channel width dimension of the
  • the at least one parameter is selected in particular from an angle of the axicon 19, an input beam diameter of the input beam 9, and a pulse energy of the individual pulse.
  • the setting device 23 it is possible for the setting device 23 to be operatively connected to the laser beam source 7 or to beam influencing optics preferably upstream of the beam shaping device 11.
  • the setting device 23 is preferably connected to the controllable axicon 19, the angle of which can be changed by being controlled by means of the setting device 23.
  • the upstream beam influencing optics preferably have a telescope with which the input diameter of the input beam 9 can be changed.
  • the material 5 is preferably glass, in particular fused silica or borosilicate glass.
  • the optical system 1 is preferably set up to carry out a method for laser beam modification of the material 5, the focus zone of the individual pulse, which is elongated in the direction of beam propagation, being brought into interaction with the material 5, the material 5 being caused by the interaction of the individual pulse with the material 5 from the first end face 13 to the second end face 15 penetrating channel 7 with a channel width dimension of at most 1 pm is generated.
  • the channel width dimension of the channel 17 is preferably set, preferably changed, in that a value corresponding to the channel width dimension of the channel 17 is selected, preferably changed, for at least one parameter.
  • the at least one parameter is selected from a group consisting of an angle of the axicon 19, an input beam diameter of the input beam 9, and a pulse energy of the individual pulse.
  • the elongated focus zone is preferably generated as a common elongated focus zone by spatially supplementing and / or superimposing several partial laser beams.
  • the channel width dimension of the channel 17 is preferably set, preferably changed, in that the spatial addition and / or superposition of the partial laser beams is selected, preferably changed, in a certain way.
  • the channel 17 is preferably produced as an elliptical channel by means of an elongated focus zone having an elliptical cross section.
  • the wavelength of the laser beam 3 is preferably chosen to be 1030 nm.
  • the individual pulse energy is preferably from at least 30 pj to at most 1 mJ.
  • the pulse duration of the individual pulse is preferably less than 400 fs, in particular from at least 300 fs to at most 400 fs.
  • the channel 17 is preferably produced with a length between the first end face 13 and the second end face 15 of at least 100 ⁇ m to at most 12 mm.
  • the channel width dimension of the channel 17 is preferably expanded by in particular wet chemical etching, preferably by means of an in particular aqueous potassium hydroxide solution, preferably with a potassium hydroxide concentration of 28% by weight.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the material 5 modified by means of the method proposed here and of the optical system 1.
  • a plurality of channels 17 can be seen here, which are designed as hollow channels, in particular as voids.
  • a compressed or compressed zone 25 of the material 5 is located radially outside the channels 17, which zone 25 is also formed by interaction with the elongated focus zone.
  • the material 5 can be selectively etched.
  • the channels 17 can therefore be widened in particular by wet-chemical etching, in particular - depending on the etching time - up to the compression width dimension, in particular the compression diameter, of the compressed zone 25.
  • the etching time determines in particular the extent to which the channel width dimension is expanded.
  • the pulse energy preferably scales linearly with the material thickness, that is to say thickness of the material 5 in the direction of beam propagation, the channel 17 carrying the material 5 along the Should fully enforce the direction of beam propagation. This means in particular that the pulse energy is doubled when the material strength or material thickness is doubled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl (3) zumindest weitgehend transparenten Materials (5), wobei eine in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene Fokuszone eines Einzelpulses des Laserstrahls (3) mit dem Material (5) in Wechselwirkung gebracht wird, wobei durch Wechselwirken des Einzelpulses mit dem Material (5) ein das Material (5) von einer ersten Endfläche (13) bis zu einer zweiten Endfläche (15) durchdringender Kanal (17) mit einem Kanal-Breitenmaß von höchstens 10 µm und insbesondere höchstens 1 µm erzeugt wird.

Description

Verfahren und optisches System zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahl-Modifizieren eines für einen Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials, sowie ein optisches System zum Laserstrahl- Modifizieren eines solchen Materials.
Bei einem solchen Verfahren sollen langgezogene Kanäle in dem zumindest weitgehend transparenten Material erzeugt werden, wobei „langgezogen“ bedeutet, dass eine längste Ausdehnung eines solchen Kanals größer, insbesondere um ein Vielfaches größer ist als ein Kanal- Breitenmaß des Kanals, insbesondere ein Kanal-Durchmesser des Kanals. Solche Kanäle mit einem Durchmesser von mindestens 10 pm, die auch als Mikrokanäle bezeichnet werden, können in Glas mittels eines zweistufigen Prozesses durch Kombination von Laser-Modifizieren, insbesondere mittels eines Bessel-ähnlichen Laserstrahls, und anschließendem selektiven Ätzen erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein optisches System zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials zu schaffen, wobei insbesondere eine Möglichkeit angegeben wird, geometrische Beschränkungen bei der Erzeugung langgezogener Kanäle zu überwinden. Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre geschaffen wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials geschaffen wird, wobei eine in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls langgezogene Fokuszone eines Einzelpulses des Laserstrahls, das heißt eines Laserstrahl-Einzelpulses, mit dem Material in Wechselwirkung gebracht wird. Durch die Wechselwirkung des Einzelpulses mit dem Material wird ein das Material von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringender Kanal mit einem Kanal -Breitenmaß von höchstens 10 mih und insbesondere höchstens 1 mih erzeugt. Somit ist es möglich, in dem Material mit einem einzigen Laserpuls, nämlich dem Einzelpuls, einen das Material vollständig von Endfläche zu Endfläche durchsetzenden Kanal mit Kanal-Breitenmaß im Nano-Maßstab, das heißt auf der Nanometerskala, das heißt bis höchstens 1 pm, zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der Kanal mittels eines Pulszugs, auch Burst genannt, erzeugt wird, wobei der Pulszug eine Mehrzahl von Einzelpulsen aufweist. Beispielsweise weist der Pulszug zwei Einzelpulse auf. Insbesondere weisen Einzelpulse des Pulszugs einen zeitlichen Abstand von 10 ns bis 20 ns auf.
Der Kanal ist insbesondere langgezogen ausgebildet, das heißt seine längste Erstreckung, die zugleich eine Axialrichtung definiert und sich in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls erstreckt, ist größer, insbesondere um ein Vielfaches größer, als das Kanal-Breitenmaß. Der Kanal weist also ein hohes Aspektverhältnis, das heißt Verhältnis einer Ausdehnung in Strahlausbreitungsrichtung zu einer lateralen Ausdehnung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, auf.
Der Kanal ist insbesondere als Hohlkanal ausgebildet. Insbesondere ist der Kanal als sogenanntes „void“ in dem Material erzeugt, das heißt insbesondere als Leerstelle.
Unter einem Laserstrahl-Modifizieren wird insbesondere verstanden, dass das Material durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahl, insbesondere mit der langgezogenen Fokuszone, bereichsweise bezüglich zumindest einer Eigenschaft verändert wird. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird insbesondere einerseits in einem Zentrum, das heißt einem radial inneren Bereich, der langgezogenen Fokuszone Material entfernt, das heißt ein „Void“ erzeugt, andererseits in einem radial äußeren Bereich der langgezogenen Fokuszone eine verdichtete Zone, auch als komprimierte Zone bezeichnet, oder verdichtete Schale geschaffen, in der Material vorhanden ist, jedoch wenigstens eine physikalische Eigenschaft des Materials verändert ist; insbesondere ist die optische Dichte und/oder Massendichte des Materials im Vergleich zu Regionen erhöht, in denen das Material nicht mit der langgezogenen Fokuszone in Wechselwirkung war.
Dass das Material zumindest weitgehend transparent für den Laserstrahl ist, bedeutet insbesondere, dass das Material bezüglich einer linearen Absorption für den Laserstrahl transparent ist. Für Licht unterhalb einer Schwellenfluenz und/oder Schwellenintensität kann das für den Laserstrahl weitgehend transparente Material insbesondere auf eine Länge bis zu der Länge der langgezogenen Fokuszone weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, des einfallenden Lichts absorbieren. Oberhalb der Schwellenfluenz und/oder Schwellenintensität wechselwirkt das Material mit dem Laserstrahl bevorzugt durch nichtlineare Effekte, insbesondere nichtlineare Absorption.
Für das hier vorgeschlagene Verfahren wird als Material insbesondere Glas, bevorzugt Fused Silica oder Borosilikatglas verwendet.
Unter einer langgezogenen Fokuszone wird hier insbesondere eine dreidimensionale Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, die hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis von mindestens 10:1, vorzugsweise 20:1, vorzugsweise 30:1, vorzugsweise mehr als 20:1, vorzugsweise mehr als 30:1, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone führt insbesondere zu einer Modifikation des Materials mit einem zumindest ähnlichen Aspektverhältnis.
Die Richtung der längsten Erstreckung der langgezogenen Fokuszone, das heißt zugleich die Strahlausbreitungsrichtung, sowie die Richtung der längsten Erstreckung des Kanals definieren hier Axialrichtung. Eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Axialrichtung. Eine Umfangsrichtung umgreift die Axialrichtung konzentrisch.
Der Kanal durchdringt das Material insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung von der ersten Endfläche bis zu der zweiten Endfläche. Insbesondere liegen sich die erste Endfläche und die zweite Endfläche in Strahlausbreitungsrichtung gegenüber. Die erste Endfläche und die zweite Endfläche begrenzen das Material gegenüber einer Umgebung. Insbesondere mündet der Kanal sowohl im Bereich der ersten Endfläche als auch im Bereich der zweiten Endfläche in die Umgebung, der Kanal ist insbesondere beidseitig offen ausgebildet. Der Kanal durchdringt das Material insbesondere vollständig von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche.
Unter dem Kanal-Breitenmaß wird insbesondere eine größte Ausdehnung des Kanals senkrecht zur Axialrichtung, das heißt in lateraler oder radialer Richtung, verstanden. Ist der Kanal gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung zylindersymmetrisch ausgebildet, ist das Kanal-Breitenmaß bevorzugt ein Durchmesser des Kanals, auch als Kanal-Durchmesser bezeichnet.
Bevorzugt wird im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens eine Mehrzahl von Kanälen in dem Material erzeugt. Dabei erzeugt insbesondere jeder Einzelpuls oder Pulszug einen Kanal. Der Laserstrahl, das heißt die Einzelpulse oder Pulszüge, wird/werden bevorzugt mit einer Wiederholrate von 10 kHz erzeugt. Somit können insbesondere zugleich auch Kanäle mit einer Wiederholrate von 10 kHz erzeugt werden.
Im Bereich der langgezogenen Fokuszone ist der Laserstrahl bevorzugt als Bessel-Strahl oder Bessel-ähnlicher Strahl, oder als Quasi-Airy-Strahl ausgebildet. Insbesondere ist die langgezogene Fokuszone des Laserstrahls bevorzugt als Bessel-ähnlicher Strahl nullter Ordnung oder als Überlagerung von Bessel-ähnlichen Strahlen, gegebenenfalls auch höherer Ordnung, ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kanal-Breitenmaß des Kanals, insbesondere der Kanal-Durchmesser, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, indem für wenigstens einen Parameter ein zu dem Kanal-Breitenmaß des Kanals korrespondierender Wert gewählt wird, wobei der wenigstens eine Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Winkel eines realen oder virtuellen Axicons zur Erzeugung der langgezogenen Fokuszone; einem Eingangsstrahl-Durchmesser eines Eingangsstrahls für das Axicon; und einer Pulsenergie des Einzelpulses. Vorteilhaft kann im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens das Kanal-Breitenmaß eingestellt, das heißt vorbestimmt werden, indem der wenigstens eine Parameter, das heißt der Wert für den wenigstens einen Parameter, geeignet gewählt wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das reale Axicon als diffraktives oder refraktives oder reflektives optisches Element ausgebildet ist. Das reale Axicon kann als konkaves oder konvexes Axicon ausgeführt sein, wobei ein konkaves Axicon insbesondere auch als inverses Axicon bezeichnet wird.
Unter einem realen Axicon wird insbesondere eine optische Linse, insbesondere eine konisch geschliffene Linse, verstanden. Der Winkel des realen Axicons kann insbesondere eingestellt werden durch Auswahl einer geeigneten Linsengeometrie mit dem entsprechenden Winkel, insbesondere durch Austauschen des verwendeten Axicons. Es ist aber auch möglich, dass ein auch als Al varez- Axicon bezeichnetes Axicon verwendet wird, welches wenigstens zwei in lateraler Richtung relativ zueinander verlagerbare, plattenähnliche optische Elemente aufweist, die jeweils eine positionsabhängige Dicke aufweisen und in Strahlausbreitungsrichtung im optischen Pfad des Laserstrahls in kurzer Distanz hintereinander angeordnet werden. Werden diese optischen Elemente derart zueinander angeordnet, dass eine Summe der positionsabhängigen Dicken beider optischer Elemente eine konische Oberfläche beschreibt, bilden die optischen Elemente gemeinsam ein Axicon. Der Winkel des Axicons kann durch Verlagerung der optischen Elemente relativ zueinander - insbesondere in lateraler Richtung - beeinflusst werden. Ein solches Axicon ist insbesondere in US 9,261,702 B2 offenbart.
Unter einem virtuellen Axicon wird ein Axicon verstanden, welches seiner Funktion nach gebildet ist durch ein Strahlformungselement, insbesondere ein Phasenbeeinflussungselement oder eine Phasenmaske, vorzugsweise in Kombination mit einer Optik, insbesondere einer Fernfeldoptik und einer Nahfeldoptik, wobei die Optik in bevorzugter Ausgestaltung als Objektiv oder Teleskop ausgebildet sein kann. Besonders bevorzugt wird das virtuelle Axicon durch eine programmierbare Phasenmaske, insbesondere einen ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator - SLM) bereitgestellt, der insbesondere mit einer geeigneten Optik kombiniert werden kann. Ein Winkel des virtuellen Axicons kann dabei insbesondere durch Verändern der Strahlformeigenschaften der Phasenmaske eingestellt werden.
Es ist aber auch möglich, dass als virtuelles Axicon ein Strahlformungselement, insbesondere eine Phasenmaske, mit fest eingeschriebener Strahlformungseigenschaft, insbesondere ein fest eingeschriebenes diffraktisches optisches Element (DOE) verwendet wird. Der Winkel des Axicons kann dann insbesondere durch Wahl des Strahlformungselements, insbesondere durch Tauschen des Strahlformungselements, eingestellt werden.
Eine weitere Möglichkeit, ein virtuelles Axicon bereitzustellen, besteht in der Verwendung eines Moire-Axicons, das vorzugsweise aus einer kaskadierten Anordnung diffraktiver optischer Elemente gebildet ist, die gemeinsam eine ansteuerbare oder veränderbare Brechkraft aufweisen. Dabei kann die Brechkraft, hier insbesondere der Axicon-Winkel, insbesondere durch relative Verdrehung der diffraktiven optischen Elemente gegeneinander um die Strahlausbreitungsrichtung eingestellt, insbesondere verändert werden. Auch ein solches Moire- Axicon kann insbesondere mit einer geeigneten Optik kombiniert werden. Ein solches Moire- Axicon ist beispielsweise offenbart in S. Bernet et al., „Adjustable refractive power from diffractive Moire elements“, Applied Optics, Vol. 47, No. 21, 2008, 3722 bis 3730.
Ein Alvarez-Axicon als reales Axicon, sowie ein virtuelles Axicon mit programmierbarer Phasenmaske, oder ein Moire-Axicon, ermöglichen es, den Axicon-Winkel flexibel zu ändern, ohne dass das Axicon getauscht werden muss. Auch ein reales Axicon kann in bevorzugter Ausgestaltung mit einer geeigneten Optik, insbesondere einer Nahfeldoptik in Kombination mit einer Fernfeldoptik, insbesondere mit einem Objektiv, oder mit einem Teleskop, kombiniert werden.
Bevorzugt wird als Optik ein Objektiv mit 20-facher Vergrößerung verwendet.
Als reales Axicon kann auch ein Hohlkegel-Axicon oder ein reflektives Axicon verwendet werden. In ein solches Axicon kann zumindest eine Teilfunktion der Optik, insbesondere die Funktion der Femfeldoptik, bereits integriert sein.
Auch in ein virtuelles Axicon, insbesondere eine Phasenmaske, aber auch in einem Moire-Axicon kann zumindest eine Teilfunktion der Optik, insbesondere der Fernfeldoptik, integriert sein, sodass es hierzu keines separaten optischen Elements bedarf.
Der Axicon-Winkel wird bevorzugt in einem Bereich von mindestens 1° bis höchstens 5°, vorzugsweise von mindestens 2° bis höchstens 4°, vorzugsweise 2°, vorzugsweise 3°, vorzugsweise 4°, gewählt.
Der Winkel des Axicons beeinflusst insbesondere einerseits den Durchmesser der langgezogenen Fokuszone und damit zugleich das entstehende Kanal-Breitenmaß, sowie andererseits auch die Erstreckung der langgezogenen Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung. Insbesondere mit den oben genannten Winkelbereichen sowie den konkreten Winkeln für das Axicon können besonders lange Fokuszonen, bevorzugt im Bereich von mehreren 100 Mikrometern bis hin zu mehreren Millimetern Länge, erzeugt werden. Insbesondere ist der Winkel des Axicons direkt antiproportional zur Energiedichte im Strahlmaximum, was insbesondere das Breitenmaß der beeinflussten Zone im Material, insbesondere ein Kompressions-Breitenmaß der verdichteten oder komprimierten Zone, beeinflusst.
Der auf das Axicon treffende Eingangsstrahl ist bevorzugt ein Gauß-Strahl. Der Eingangsstrahl- Durchmesser des Eingangsstrahls bestimmt insbesondere Länge und Durchmesser der langgezogenen Fokuszone.
Um den Eingangsstrahl-Durchmesser zu verändern, ist bevorzugt ein dem Axicon in Strahlausbreitungsrichtung vorgelagertes Teleskop vorgesehen. Auch die Pulsenergie des Einzelpulses ist bestimmend für das Kanal-Breitenmaß des entstehenden Kanals.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kanal-Breitenmaß verändert wird, indem der Wert für den wenigstens einen Parameter, ausgewählt aus dem Winkel des Axicons, dem Strahldurchmesser des Eingangsstrahls für das Axicon, und der Pulsenergie des Einzelpulses, verändert wird. Somit ist es im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens vorteilhaft möglich, das Kanal-Breitenmaß zu verändern und somit besonders flexibel Kanäle mit verschiedenen Kanal -Breitenmaßen, insbesondere mit verschiedenen Kanal-Durchmessern, zu erzeugen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die langgezogene Fokuszone als gemeinsam langgezogene Fokuszone durch räumliches Ergänzen und/oder Überlagern mehrerer Teil-Laserstrahlen, insbesondere mit verschiedenen Polarisationen, insbesondere von Bessel- ähnlichen Strahlen höherer Ordnung, insbesondere Bessel-Vortex und/oder Petal-Beam, erzeugt wird. Auf diese Weise können flexibel verschiedene Durchmesser für die langgezogene Fokuszone und damit zugleich verschiedene Kanal -Breitenmaße eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können verschiedene Querschnittsformen für die langgezogene Fokuszone und damit zugleich für den entstehenden Kanal eingestellt werden. Auch die Erzeugung elliptischer oder kreuzförmiger Kanäle ist möglich.
Bevorzugt wird das Kanal-Breitenmaß, insbesondere der Kanal-Durchmesser, eingestellt, vorzugsweise verändert, indem die räumliche Ergänzung und/oder Überlagerung der Teil- Laserstrahlen in bestimmter Weise gewählt, vorzugsweise verändert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein im Querschnitt elliptischer Kanal durch Anwenden einer langgezogenen Fokuszone mit elliptischem Querschnitt erzeugt wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1030 nm verwendet wird. Der Laserstrahl wird bevorzugt als gepulster Laserstrahl mittels eines Lasermediums erzeugt, das Ytterbium-dotiertes Yttrium-Aluminium- Granat aufweist oder aus Ytterbium-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat, auch als Yb: YAG bezeichnet, besteht. Als Laserstrahlquelle wird bevorzugt das System TruMicro 2030 der Firma TRUMPF in der an dem den Zeitrang des vorliegenden Schutzrechts bestimmenden Tag gültigen Ausgestaltung verwendet.
Alternativ oder zusätzlich wird die Pulsenergie bevorzugt gewählt in einem Bereich von mindestens 10 pJ bis höchstens 10 mJ, vorzugsweise von mindestens 30 pj, vorzugsweise bis höchstens 1 mJ, vorzugsweise bis höchstens 900 pj, vorzugsweise bis höchstens 800 pj, vorzugsweise bis höchstens 700 pj, vorzugsweise bis höchstens 600 pj, vorzugsweise bis höchstens 500 pj, vorzugsweise bis höchstens 400 pj, vorzugsweise bis höchstens 300 pj, vorzugsweise bis höchstens 200 pj, vorzugsweise bis höchstens 100 pj, vorzugsweise bis höchstens 50 pj. Insbesondere mit solch hohen Pulsenergien ist es möglich, langgezogene Kanäle mit sehr hohem Aspektverhältnis zu erzeugen, insbesondere Kanäle, deren Kanal-Breitenmaß höchstens 1 pm, vorzugsweise 200 nm bis höchstens 950 nm, beträgt. Die Länge eines solchen Kanals beträgt bevorzugt von mindestens 200 pm bis höchstens 12 mm, vorzugsweise 350 pm, vorzugsweise 700 pm, vorzugsweise von mindestens 250 pm bis höchstens 900 pm, vorzugsweise bis höchstens 1 mm, vorzugsweise bis höchstens 2 mm, vorzugsweise bis höchstens 3 mm, vorzugsweise bis höchstens 4 mm, vorzugsweise bis höchstens 5 mm, vorzugsweise bis höchstens 6 mm, vorzugsweise bis höchstens 7 mm, vorzugsweise bis höchstens 8 mm, vorzugsweise bis höchstens 9 mm, vorzugsweise bis höchstens 10 mm, vorzugsweise bis höchstens 11 mm.
Insbesondere wenn der Winkel für das reale oder virtuelle Axicon im Bereich von mindestens 1° bis höchstens 5°, vorzugsweise 2°, vorzugsweise 3°, vorzugsweise 4°, gewählt und zugleich die Pulsenergie im Bereich von mindestens 30 pj bis höchstens 1 mJ, insbesondere mindestens 30 pj bis höchstens 50 pj, gewählt wird, können langgestreckte Kanäle mit sehr hohem Aspektverhältnis erzeugt werden, die auch größere Material stärken, insbesondere bis zu mehreren Millimetern, durchsetzen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluenz des Einzelpulses ungefähr 90 J/cm2 beträgt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Pulsdauer des Einzelpulses von mindestens 200 fs bis höchstens 500 fs, vorzugsweise von mindestens 300 fs bis höchstens 400 fs, beträgt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Pulsdauer des Einzelpulses mindestens 100 fs bis höchstens 10 ps beträgt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kanal mit einer Länge zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche - insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung gemessen - von mindestens 100 gm bis höchstens 12 mm, vorzugsweise bis höchstens 11 mm, vorzugsweise bis höchstens 10 mm, vorzugsweise bis höchstens 9 mm, vorzugsweise bis höchstens 8 mm, vorzugsweise bis höchstens 7 mm, vorzugsweise bis höchstens 6 mm, vorzugsweise bis höchstens 5 mm, vorzugsweise bis höchstens 4 mm, vorzugsweise bis höchstens 3 mm, vorzugsweise bis höchstens 2 mm, vorzugsweise bis höchstens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 200 gm bis höchstens 900 gm, vorzugsweise von mindestens 350 gm bis höchstens 700 gm, erzeugt wird. Somit können in vorteilhafter Weise Kanäle mit sehr hohem Aspektverhältnis erzeugt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kanal-Breitenmaß, insbesondere der Kanal-Durchmesser, durch Ätzen erweitert wird. Insbesondere ist erkannt worden, dass in den hier bevorzugten Bereichen für die Pulsenergie das hohle Breitenmaß des Kanals, das heißt das Void-B reitenmaß desjenigen Bereichs der Wechselwirkungszone, in der Material entfernt wird, nicht mehr in relevanter Weise mit der Pulsenergie skaliert, also durch Erhöhen der Pulsenergie nicht wesentlich vergrößert werden kann. Insbesondere kann mit den hier genannten Pulsenergien ein Void-Breitenmaß von maximal ungefähr 500 nm bis 600 nm erzeugt werden. Allerdings skaliert das Kompressions-Breitenmaß der komprimierten Zone, das heißt der verdichteten Zone, insbesondere der Kompressions-Durchmesser der komprimierten Zone, ungefähr linear mit der Pulsenergie. Zugleich zeigt sich, dass das Material im Bereich der komprimierten Zonen selektiv und mit hoher Effizienz geätzt werden kann, sodass bei Einwirkung einer Ätzsubstanz selektiv die komprimierte Zone angegriffen und geätzt, das übrige Material im nicht komprimierten Bereich aber verschont wird. Somit können die Kanäle durch Ätzen effektiv und effizient auf das Kompressions-Breitenmaß verbreitert werden, das wiederum durch die Wahl der Pulsenergie bestimmt wird.
Vorzugsweise werden die Kanäle durch nasschemisches Ätzen erweitert. Insbesondere wird für das Ätzen bevorzugt eine vorzugsweise wässrige Kaliumhydroxid-Lösung, insbesondere mit einer Kaliumhydroxid-Konzentration von 28 Gew.-%, verwendet.
Die Ätzzeit beträgt bevorzugt höchstens 15 Minuten. Die Ätzzeit hängt insbesondere von dem zu erreichenden Kanal -Breitenmaß ab. Insbesondere kann das Kanal -Breitenmaß durch Wahl der Ätzzeit bestimmt werden. Vorzugsweise wird das Ätzen bei 80 °C durchgeführt. Vorzugsweise wird das Ätzen unter Ultraschalleinwirkung durchgeführt. Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein optisches System zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials geschaffen wird, welches eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Eingangsstrahls und eine Strahlformungseinrichtung aufweist. Die Strahlformungseinrichtung ist eingerichtet, um den Eingangsstrahl zu einer in Strahlausbreitungsrichtung langgezogenen Fokuszone zu formen, sowie das Material in Wechselwirkung mit der langgezogenen Fokuszone zu bringen, derart, dass durch Wechselwirkung eines Einzelpulses oder Pulszugs aus Einzelpulsen des Laserstrahls mit dem Material ein das Material von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringender Kanal mit einem Kanal -Breitenmaß von höchstens 10 pm und insbesondere höchstens 1 pm erzeugt wird. In Zusammenhang mit dem optischen System verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Das optische System weist bevorzugt eine Einstelleinrichtung auf, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Parameter der Laserstrahlquelle und/oder der Strahlformungseinrichtung einzustellen. Die Einstelleinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um den wenigstens einen Parameter zu verändern.
Insbesondere ist die Einstelleinrichtung eingerichtet, um wenigstens einen Parameter einzustellen, vorzugsweise zu verändern, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Winkel eines realen oder virtuellen Axicons; einem Eingangsstrahl-Durchmesser eines Eingangsstrahls für das Axicon, und einer Pulsenergie des Einzelpulses.
Die Strahlformungseinrichtung weist vorzugsweise ein reales oder virtuelles Axicon, insbesondere gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, auf. Vorzugsweise weist die Strahlformungseinrichtung wenigstens eine Optik in Kombination mit dem realen oder virtuellen Axicon, insbesondere eine Nahfeldoptik und/oder eine Femfeldoptik, insbesondere ein Objektiv (insbesondere 20x) oder Teleskop, auf.
Die Strahlformungseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um die langgezogene Fokuszone als gemeinsame langgezogene Fokuszone durch räumliches Ergänzen und/oder Überlagern mehrerer Teil-Laserstrahlen zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Strahlformungseinrichtung dabei eingerichtet, um das entstehende Kanal-Breitenmaß des Kanals einzustellen, vorzugsweise zu verändern, indem die räumliche Ergänzung und/oder Überlagerung der Teil-Laserstrahlen in bestimmter Weise gewählt, vorzugsweise verändert wird. Der Strahlformungseinrichtung ist bevorzugt eine Strahlbeeinflussungsoptik in Strahlausbreitungsrichtung vorgelagert, mittels derer der Eingangsstrahl-Durchmesser veränderbar ist. Die Strahlbeeinflussungsoptik weist bevorzugt ein insbesondere einstellbares, insbesondere ansteuerbares Teleskop auf.
Das optische System ist bevorzugt gekennzeichnet durch wenigstens ein Merkmal des optischen Systems, welches explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurde.
Insbesondere ist das optische System bevorzugt eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer der oben beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Systems zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials, und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines im Rahmen einer Ausführungsform eines
Verfahrens zum Laserstrahl-Modifizieren und/oder mit dem Ausführungsbeispiel des optischen Systems gemäß Figur 1 modifizierten Materials.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Systems 1 zum Laserstrahl-Modifizieren eines für einen Laserstrahl 3 zumindest weitgehend transparenten Materials 5. Das optische System I weist eine Laserstrahl quelle 7 auf, die eingerichtet ist, um einen Eingangs-Laserstrahl als Eingangsstrahl 9 für eine Strahlformungseinrichtung f f des optischen Systems I zu erzeugen. Die Strahlformungseinrichtung f f ist eingerichtet, um eine langgezogene Fokuszone des Laserstrahls 3 zu erzeugen, und das Material 5 mit der langgezogenen Fokuszone eines Einzelpulses des Laserstrahls 3 in Wechselwirkung zu bringen, derart, dass ein das Material 5 von einer ersten Endfläche 13 bis zu einer zweiten Endfläche 15 durchdringender Kanal 17 erzeugt wird, der ein Kanal -Breitenmaß, insbesondere einen Kanal- Durchmesser, von höchstens 1 pm aufweist.
Bevorzugt erzeugt die Laserstrahlquelle 7 den Eingangsstrahl 9 mit einer Wiederholrate von 10 kHz. Entsprechend wird auch der Einzelpuls bevorzugt mit einer Wiederholrate von 10 kHz erzeugt. Die Strahlformungseinrichtung 11 weist vorzugsweise ein Axicon 19 auf, das als reales oder virtuelles Axicon ausgebildet sein kann. Außerdem weist die Strahlformungseinrichtung 11 bevorzugt eine Optik 21 auf, die insbesondere eine Nahfeldoptik und/oder eine Fernfeldoptik umfasst. Insbesondere kann die Optik 21 als Teleskop oder Objektiv ausgebildet sein, vorzugsweise als Objektiv mit 20-facher Vergrößerung. Insbesondere das Axicon 19 ist eingerichtet, um die langgestreckte Fokuszone - bevorzugt im Zusammenwirken mit der Optik 21 - zu erzeugen.
Die Strahlformungseinrichtung 11 umfasst bevorzugt eine Einstelleinrichtung 23, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Parameter der Strahlformungseinrichtung 11 und/oder der Laserstrahl quelle 7 einzustellen, vorzugsweise zu verändern, der mit dem Kanal-Breitenmaß des
Kanals 17 korrespondiert. Der wenigstens eine Parameter ist insbesondere ausgewählt aus einem Winkel des Axicons 19, einem Eingangsstrahl -Durchmesser des Eingangsstrahls 9, und einer Pulsenergie des Einzelpulses. Es ist möglich, dass die Einstelleinrichtung 23 hierzu mit der Laserstrahlquelle 7 oder einer bevorzugt der Strahlformungseinrichtung 11 vorgelagerten Strahlbeeinflussungsoptik wirkverbunden ist. Insbesondere ist die Einstelleinrichtung 23 bevorzugt mit dem ansteuerbar ausgebildeten Axicon 19 verbunden, dessen Winkel durch Ansteuern mittels der Einstelleinrichtung 23 verändert werden kann.
Die vorgelagerte Strahlbeeinflussungsoptik weist bevorzugt ein Teleskop auf, mit dem der Eingangs-Durchmesser des Eingangsstrahls 9 geändert werden kann. Das Material 5 ist vorzugsweise Glas, insbesondere Fused Silica oder Borosilikatglas.
Das optische System 1 ist bevorzugt eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens zum Laserstrahl-Modifizieren des Materials 5, wobei die in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene Fokuszone des Einzelpulses mit dem Material 5 in Wechselwirkung gebracht wird, wobei durch die Wechselwirkung des Einzelpulses mit dem Material 5 ein das Material 5 von der ersten Endfläche 13 bis zu der zweiten Endfläche 15 durchdringender Kanal 7 mit einem Kanal- Breitenmaß von höchstens 1 pm erzeugt wird.
Dabei wird das Kanal -Breitenmaß des Kanals 17 bevorzugt eingestellt, vorzugsweise verändert, indem für wenigstens einen Parameter ein zu dem Kanal -Breitenmaß des Kanals 17 korrespondierender Wert gewählt, vorzugsweise verändert wird. Der wenigstens eine Parameter ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Winkel des Axicons 19, einem Eingangsstrahl-Durchmesser des Eingangsstrahls 9, und einer Pulsenergie des Einzelpulses.
Die langgezogene Fokuszone wird bevorzugt als gemeinsame langgezogene Fokuszone durch räumliches Ergänzen und/oder Überlagern mehrerer Teil-Laserstrahlen erzeugt. Vorzugsweise wird das Kanal -Breitenmaß des Kanals 17 eingestellt, bevorzugt verändert, indem die räumliche Ergänzung und/oder Überlagerung der Teil-Laserstrahlen in bestimmter Weise gewählt, vorzugsweise verändert wird.
Bevorzugt wird der Kanal 17 als elliptischer Kanal mittels einer einen elliptischen Querschnitt aufweisenden langgezogenen Fokuszone erzeugt.
Die Wellenlänge des Laserstrahls 3 wird bevorzugt zu 1030 nm gewählt. Die Einzelpulsenergie beträgt bevorzugt von mindestens 30 pj bis höchstens 1 mJ. Die Pulsdauer des Einzelpulses beträgt bevorzugt weniger als 400 fs, insbesondere von mindestens 300 fs bis höchstens 400 fs.
Der Kanal 17 wird bevorzugt mit einer Länge zwischen der ersten Endfläche 13 und der zweiten Endfläche 15 von mindestens 100 pm bis höchstens 12 mm erzeugt.
Bevorzugt wird das Kanal -Breitenmaß des Kanals 17 durch insbesondere nasschemisches Ätzen, vorzugsweise mittels einer insbesondere wässrigen Kaliumhydroxid-Lösung, bevorzugt mit einer Kaliumhydroxid-Konzentration von 28 Gew.-%, erweitert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens sowie des optischen Systems 1 modifizierten Materials 5. Dabei ist hier eine Mehrzahl von Kanälen 17 zu erkennen, die als Hohlkanäle, insbesondere als Voids, ausgebildet sind. Weiterhin ist zu erkennen, dass sich radial außerhalb der Kanäle 17 eine verdichtete oder komprimierte Zone 25 des Materials 5 befindet, die auch durch Wechselwirkung mit der langgezogenen Fokuszone gebildet ist. Im Bereich dieser komprimierten Zone 25 ist das Material 5 selektiv ätzbar. Daher können die Kanäle 17 insbesondere durch nasschemisches Ätzen insbesondere - abhängig von der Ätzzeit - bis auf das Kompressions-Breitenmaß, insbesondere den Kompressions-Durchmesser, der komprimierten Zone 25 erweitert werden. Die Ätzzeit bestimmt dabei insbesondere, in welchem Maß das Kanalbreitenmaß erweitert wird.
Die Pulsenergie skaliert bevorzugt linear mit der Material stärke, das heißt Dicke des Materials 5 in Strahlausbreitungsrichtung, wobei der Kanal 17 das Material 5 entlang der Strahlausbreitungsrichtung vollständig durchsetzen soll. Dies heißt insbesondere, dass die Pulsenergie verdoppelt wird, wenn die Material stärke oder Materialdicke verdoppelt wird.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl (3) zumindest weitgehend transparenten Materials (5), wobei
- eine in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene Fokuszone eines Einzelpulses oder Pulszugs aus Einzelpulsen des Laserstrahls (3) mit dem Material (5) in Wechselwirkung gebracht wird, wobei
- durch Wechselwirken des Einzelpulses oder Pulszugs mit dem Material (5) ein das Material (5) von einer ersten Endfläche (13) bis zu einer zweiten Endfläche (15) durchdringender Kanal (17) mit einem Kanal -Breitenmaß von höchstens 10 pm erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanal -Breitenmaß des Kanals (17) auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, indem für wenigstens einen Parameter ein zu dem Kanal-Breitenmaß des Kanals (17) korrespondierender Wert gewählt wird, wobei der wenigstens eine Parameter ausgewählt ist aus: Einem Winkel eines realen oder virtuellen Axicons (19) zur Erzeugung der langgezogenen Fokuszone; einem Eingangsstrahl-Durchmesser eines Eingangsstrahls (9) für das Axicon (19), und einer Pulsenergie des Einzelpulses.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanal-Breitenmaß des Kanals (17) verändert wird, indem für wenigstens einen Parameter ein zu dem Kanal-Breitenmaß des Kanals (17) korrespondierender Wert verändert wird, wobei der wenigstens eine Parameter ausgewählt ist aus: Einem Winkel eines realen oder virtuellen Axicons (19) zur Erzeugung der langgezogenen Fokuszone; einem Eingangsstrahl-Durchmesser eines Eingangsstrahls (9) für das Axicon (19), und einer Pulsenergie des Einzelpulses.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die langgezogene Fokuszone als gemeinsame langgezogene Fokuszone durch räumliches Ergänzen und/oder Überlagern mehrerer Teil-Laserstrahlen erzeugt wird, wobei vorzugsweise das Kanal- Breitenmaß des Kanals (17) eingestellt, bevorzugt verändert wird, indem die räumliche Ergänzung und/oder Überlagerung der Teil-Laserstrahlen in bestimmter Weise gewählt, vorzugsweise verändert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) als elliptischer Kanal (17) mittels einer langgezogenen Fokuszone mit elliptischen Querschnitt erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Laserstrahl (3) mit einer Wellenlänge von 1030 nm erzeugt wird, und/oder
- der Einzelpuls mit einer Einzelpulsenergie von mindestens 10 pj bis höchstens 10 mJ und bevorzugt von mindestens 30 pJ bis höchstens 1 mJ erzeugt wird, und/oder
- eine Pulsdauer des Einzelpulses höchstens 500 fs, vorzugsweise höchstens 400 fs, beträgt, und/oder
- eine Pulsdauer des Einzelpulses mindestens 100 fs bis höchstens 10 ps beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) mit einer Länge zwischen der ersten Endfläche (13) und der zweiten Endfläche (15) von mindestens 100 pm bis höchstens 12 mm, erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanal-Breitenmaß des Kanals (17) durch Ätzen erweitert wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durchdringende Kanal (17) mit einem Kanal -Breitenmaß von höchstens 1 pm erzeugt wird.
10. Optisches System (1) zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials (5), mit
- einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Eingangsstrahls (9), und mit
- einer Strahlformungseinrichtung (11), die eingerichtet ist, um den Eingangsstrahl (9) in eine in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene Fokuszone zu formen, sowie das Material (5) in Wechselwirkung mit der langgezogenen Fokuszone zu bringen, derart, dass durch Wechselwirkung eines Einzelpulses oder Pulszugs aus Einzelpulsen des Laserstrahls (3) mit dem Material (5) ein das Material (5) von einer ersten Endfläche (13) bis zu einer zweiten Endfläche (15) durchdringender Kanal (17) mit einem Kanal -Breitenmaß von höchstens 10 gm erzeugt wird.
11. Optisches System (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durchdringende Kanal (17) mit einem Kanal -Breitenmaß von höchstens 1 pm erzeugt wird.
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