WO2022033955A1

WO2022033955A1 - Laserbearbeitung eines werkstuecks mit einer gekruemmten oberflaeche

Info

Publication number: WO2022033955A1
Application number: PCT/EP2021/071885
Authority: WO
Inventors: Daniel FLAMM; Jonas Kleiner; Thomas Bertsch
Original assignee: Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2022-02-17
Also published as: DE102020121287A1; DE102020121287B4

Abstract

Ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks (9), das aus einem transparenten Material besteht und eine gekrümmte Oberfläche (9A) aufweist, durch Ausbilden einer Modifikationsfläche, umfasst die Schritte: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls (3) mit einer entlang einer optischen Achse (5) des Laserstrahls (3) langgezogene Fokuszone (107) in das Werkstück (9), Bewegen eines Auftreffpunkts (P) des gepulsten Laserstrahls (3) auf der gekrümmten Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang einer Abtasttrajektorie (21), und Ausrichten der durch den Auftreffpunkt (P) verlaufenden optischen Achse (5) des gepulsten Laserstrahls (3) zu einer durch den Auftreffpunkt (P) verlaufenden Tangentialebene (T) an das Werkstück (9) in einem Winkelbereich von z.B. 90°±10°. Der nahezu senkrechte Einfall kann eine Beeinflussung eines nicht-beugenden Strahls beim Eintritt in das Werkstück (9) insbesondere bei sich ändernden Krümmungsverhältnissen der Oberfläche des Werkstücks (9) reduzieren.

Description

LASERBEARBEITUNG EINES WERKSTÜCKS MIT EINER

GEKRÜMMTEN OBERFLÄCHE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere eines Werkstücks mit einer Oberfläche mit variierender Krümmung. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsanlage.

Bei der Laserbearbeitung eines Materials, das im Wesentlichen transparent für die Laserstrahlung ist und hierin als transparentes Material bezeichnet wird, können mit Laserstrahlung Modifikationen in dem Material erzeugt werden. Eine im Volumen des Materials eintretende Absorption (kurz Volumenabsorption) der Laserstrahlung kann bei transparenten Materialen eine langgezogene Modifikation der Struktur des Materials bewirken. Modifikationen in der Struktur des Materials können beispielsweise zum Bohren, zum Trennen durch induzierte Spannungen, zum Bewirken einer Modifikation des Brechungsverhaltens oder für selektives Laserätzen eingesetzt werden. Siehe hierzu zum Beispiel die Anmeldungen WO 2016/079062 Al, WO 2016/079063 Al und WO 2016/079275 Al der Anmelderin.

So werden z.B. Ultrakurzpulslaser-basierte Glasmodifikationsprozesse zum Trennen von Glas häufig mit langgezogenen Fokusverteilungen durchgeführt, wie sie z.B. bei nicht-beugenden Strahlen gegeben sind. Derartige langgezogene Fokusverteilungen werden z.B. aufgrund von Interferenz von von außen einlaufenden Strahlanteilen gebildet und können im Material längliche Modifikationen ausbilden, wie dies z.B. bei Bessel-ähnlichen Strahlen der Fall ist.

Strahlformungselemente und Optik- Aufbauten, mit denen in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene, schlanke Strahlprofile mit hohem Aspektverhältnis für die Laserbearbeitung bereitgestellt werden können, werden z.B. in der genannten WO 2016/079275 Al beschrieben.

Ferner offenbart US 9,815,730 Verfahren zur Laserbearbeitung beliebiger Formen von geformten, dünnen, transparenten, spröden 3D-Teilen. Die Bearbeitung wird mittels einer Translationsbewegung und mehreren Überfahrten realisiert, wobei sich die Fokuslinie entlang und innerhalb einer gekrümmten Oberfläche erstreckt. Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche wie eine Laserbearbeitung eines Glasrohrs oder eines Glaszylinders mit beliebigen, z.B. runden, elliptischen oder abgerundeten, Querschnitten mit einer insbesondere langgezogenen Fokuszone zu ermöglichen. Dabei sollen unter anderem Strahlformungsansätze, wie sie für die Laserbearbeitung von planen Werkstücken entwickelt wurden, auch bei Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen einsetzbar werden. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein laserbearbeiteter Körper/Hohlkörper in zwei Abschnitte getrennt werden kann.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks nach Anspruch 1 und durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einem Aspekt weist ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks, das aus einem transparenten Material besteht und eine gekrümmte Oberfläche (insbesondere eine Oberfläche, deren Krümmungsverhältnisse/Krümmungsradius sich entlang einer Abtasttrajektorie ändert) aufweist, durch Ausbilden einer Modifikationsfläche die folgenden Schritte auf:

Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls mit einer entlang einer optischen Achse des Laserstrahls langgezogene Fokuszone in das Werkstück,

Bewegen eines Auftreffpunkts des gepulsten Laserstrahls auf der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks entlang einer Abtasttrajektorie, und

Ausrichten der durch den Auftreffpunkt verlaufenden optischen Achse des gepulsten Laserstrahls zu einer durch den Auftreffpunkt verlaufenden Tangentialebene an das Werkstück in einem Winkelbereich von 90° ± 10°.

Das Verfahren ist somit insbesondere ein Verfahren zum Einbringen von Modifikationen in ein Material des Werkstücks mit einem, insbesondere nicht-beugenden, Laserstrahl, wobei die Modifikationen zusammen eine Modifikationsfläche im Werkstück definieren. Allgemein ist es ein Verfahren zum Modifizieren einer Materi al Struktur eines Werkstücks innerhalb einer Modifikationsfläche durch Bewegen einer Fokuszonen eines Laserstrahls durch das Werkstück.

In einem weiteren Aspekt wird eine Laserbearbeitungsanlage für ein Modifizieren eines Materials eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl offenbart, wobei das Werkstück weitgehend für den Laserstrahl transparent ist und eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst: ein Lasersystem zur Abgabe des gepulsten Laserstrahls, wobei das Lasersystem eine Strahljustagehalterung und einen Laserbearbeitungskopf mit einem optischen Strahlformungssystem umfasst, der Laserbearbeitungskopf an der Strahljustagehalterung befestigt ist und das optische Strahlformungssystem dazu eingerichtet ist, eine entlang einer optischen Achse des Laserstrahls langgezogene Fokuszone des gepulsten Laserstrahls, insbesondere einen nichtbeugenden Strahl, auszubilden, und eine Werkstückhalterung zur Lagerung des Werkstücks, wobei die Strahljustagehalterung und/oder die Werkstückhalterung ein Rotations-Translationssystem bilden, das dazu eingerichtet ist:

- eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Achse durchzuführen, bei der ein durch die optische Achse definierter Auftreffpunkt des gepulsten Laserstrahls auf die gekrümmte Oberfläche des Werkstücks entlang einer Abtasttrajektorie bewegt wird, und

- die optische Achse des Laserstrahls zu einer durch den Auftreffpunkt verlaufenden Tangentialebene an das Werkstück in einem Winkelbereich von 90° ± 10° auszurichten.

Allgemein wird hierin unter dem Auftreffpunkt der Schnittpunkt der optischen Achse des Laserstrahls mit dem Werkstück (beispielsweise das zu bearbeitende Substrat) verstanden.

In einigen Ausführungsformen kann das Ausrichten ein Durchführen einer Rotationsbewegung des Werkstücks oder der optischen Achse um eine Rotationsachse und ein Verschieben der Rotationsachse bezüglich der optischen Achse umfassen. Das Verschieben der Rotationsachse bezüglich der optischen Achse kann ein Verschieben der Rotationsachse in Richtung der optischen Achse und/oder Verändern des Abstands der Rotationsachse von der optischen Achse, wobei der Abstand insbesondere in einer Ebene verändert wird, die die optische Achse umfasst und sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckt.

In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Ausrichten zeitlich so ausgeführt werden, dass die Ausrichtung jeweils zu einem Zeitpunkt einer Einstrahlung eines eine Modifikation hervorrufenden Laserpulses des gepulsten Laserstrahls vorliegt. In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die optische Achse des Laserstrahls senkrecht zur Tangentialebene ausgerichtet werden.

In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfassen: Einstellen von Parametern des gepulsten Laserstrahls derart, dass durch nichtlineare Absorption eines Laserpulses des gepulsten Laserstrahls eine in Richtung der optischen Achse längliche Modifikation im Material des Werkstücks erzeugt wird, die sich über eine Eindringtiefe in das Material hinein ausbildet, und

Wählen der Abtasttrajektorie und der Eindringtiefe derart, dass sich die Modifikationsfläche durch das gesamte Werkstück erstreckt.

In einigen Ausführungsformen kann die Modifikationsfläche mindestens eine Modifikation umfassen, deren Eindringtiefe mindestens 90% einer Dicke des Werkstücks in Richtung der optischen Achse beträgt. Die Modifikation kann sich insbesondere vollständig durch das Werkstück hindurch erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann die Modifikationsfläche mindestens zwei Modifikationen umfassen, die in Richtung der jeweiligen optischen Achse am Ende, und insbesondere im Abstand der Eindringtiefe von der gekrümmten Oberfläche, überlappen oder aneinander heranragen.

In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfassen: Einlesen von Geometriedaten eines Querschnitts des Werkstücks bezüglich einer vorgesehenen Rotationsachse in einen Mikroprozessor;

Berechnen von Steuerdaten im Mikroprozessor, die eine relative Rotations-Translationsbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Achse definieren, wobei während einer Durchführung der relativen Rotations-Translationsbewegung die optische Achse auf die Tangentialebene an dem Auftreffpunkt, der sich während der Bearbeitung entlang der Abtasttrajektorie bewegt, im Winkelbereich von 90° ± 10° trifft; und

Ausgeben der Steuerdaten vom Mikroprozessor an ein Rotations-Translationssystem zum Veranlassen der relativen Rotations-Translationsbewegung für das Bewegen des Auftreffpunkts des gepulsten Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie bei gleichzeitigem Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls.

In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfassen: Vermessen der Form des Werkstücks im Bereich der Abtasttrajektorie zum Erzeugen der Geometriedaten des Werkstückstücks, und/oder

Vermessen eines Höhenprofils in Propagationsrichtung entlang der Abtasttrajektorie zum Nachführen einer Position einer Oberfläche des Werkstücks entlang der Propagationsrichtung und/oder

Abspeichern der Geometriedaten/oder des Höhenprofils zum Erzeugen von Steuerungsdaten für eine Steuerungseinheit.

Dabei kann die relative Rotations-Translationsbewegung eine Rotation des Werkstücks oder eines die optische Achse bestimmenden Laserbearbeitungskopfs um die vorgesehene Rotationsachse und/oder eine Translation des Werkstücks oder eines die optische Achse bestimmenden Laserbearbeitungskopfs umfassen.

Ferner kann das Werkstück eine Längsachse aufweisen und die Rotations-Translationsbewegung kann eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse umfasst, die parallel zur Längsachse des Werkstücks verläuft. Das Werkstück (Substrat) kann insbesondere als Rohr, Zylinder oder Abschnitt eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, ausgebildet sein. Optional kann die gekrümmte Oberfläche eine sich entlang der Abtasttrajektorie ändernde Krümmung aufweisen.

Ferner kann das Verfahren den Schritt umfassen, den Abstand der Optik zum Auftreffpunkt zu regeln, um eine Eindringtiefe der Modifikation in das Material des Werkstücks einzustellen. Alternativ kann zur Einstellung der Eindringtiefe auch ein optisches Element, z.B. eine letzte fokussierende Linse im Bearbeitungskopf, verschoben werden.

In einigen Ausführungsformen kann die durch den Auftreffpunkt verlaufende optische Achse des gepulsten Laserstrahls zur Tangentialebene in einem Winkelbereich ausgerichtet werden, der in einem Bereich von 90° ± 10°, insbesondere von 90° ± 5°, liegt, insbesondere wenn eine Wandstärken eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks im Bereich von 1 mm und weniger liegt. Ferner kann der Winkelbereich im Bereich von 90° ± 5°, insbesondere 90° ± 3°, liegen, insbesondere wenn eine Wandstärke eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks größer als 1 mm ist. In einigen Ausführungsformen kann das Bewegen des Auftreffpunkts des gepulsten Laserstrahls auf der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks entlang einer Abtasttrajektorie mit einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone bewirkt werden, bei der die Fokuszone wiederholt entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks positioniert wird, sodass eine Mehrzahl von, insbesondere beabstandete, Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie eingeschrieben werden. Insbesondere kann die Abtasttrajektorie eine Außenkontur zum Unterteilen des Werkstücks in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks oder eine auf eine Oberfläche des Werkstücks geschlossene Innenkontur zum Auslösen eines durch die Innenkontur abgegrenzten Bereichs sein.

In einigen Weitbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann diese ferner eine Steuerung mit einem Mikroprozessor umfassen, die dazu eingerichtet ist, Geometriedaten eines Querschnitts des Werkstücks bezüglich einer vorgesehenen Rotationsachse in den Mikroprozessor einzulesen, im Mikroprozessor Steuerdaten zu berechnen, die eine relative Rotations-Translationsbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Achse definieren, während der die optische Achse auf die Tangentialebene an dem Auftreffpunkt, der sich während der Bearbeitung entlang der Abtasttrajektorie bewegt, im Winkelbereich von 90° ± 10° trifft, und vom Mikroprozessor die Steuerdaten an das Rotations-Translationssystem auszugeben, um die relative Rotations-Translationsbewegung für das Bewegen des Auftreffpunkts des gepulsten Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie bei gleichzeitigem Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls zu veranlassen, wobei das Rotations-Translationssystem durch die Strahljustagehalterung und/oder die Werkstückhalterung bereitgestellt wird.

In einigen Weitbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann diese ferner einen Abstandssensor umfassen, der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position des Auftreffpunkts auf der optischen Achse zu bestimmen. Die Steuerung kann dann ferner dazu eingerichtet sein, eine Position der Oberfläche des Werkstücks entlang der optischen Achse mit dem Abstandssensor zu überwachen, insbesondere Abstandssteuerdaten im Mikroprozessor zu berechnen und an das Rotations-Translationssystem zur Regelung des Auftreffpunkts auf eine Soll-Position auszugeben. In einigen Weitbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann die Steuerung ferner dazu eingerichtet sein, die durch den Auftreffpunkt verlaufende optische Achse des gepulsten Laserstrahls zur Tangentialebene in einem Winkelbereich auszurichten,

- der im Bereich von 90° ± 10°, insbesondere im Bereich von 90° ± 5°, bei einer Wandstärken eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks im Bereich von 1 mm und weniger liegt und

- der im Bereich von 90° ± 5°, insbesondere im Bereich von 90° ± 3°, bei einer Wandstärke eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks, die größer als 1 mm ist, liegt.

In einigen Weitbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann das Lasersystem ferner ein optisches Strahlformungssystem zum Strahlformen des gepulsten Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogene Fokuszone/eines nicht-beugenden Strahls im Werkstück mit der gekrümmten Oberfläche umfasst. Das optische Strahlformungssystem kann insbesondere ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine optische Achse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der optischen Achse im Werkstück durch Interferenz bewirken. Optional kann eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück aufgrund der gekrümmten Oberfläche entgegenwirkt, vorgesehen sein.

Ferner kann zugleich mit der Regelung der Einfallsrichtung eine Regelung der Phasenkorrektur hinsichtlich einer Änderung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche vorgenommen werden.

In einigen Weitbildungen des optischen Strahlformungssystems kann dieses dazu eingerichtet sein, eine zweidimensionale Phasenverteilung auf den Laserstrahl aufzuprägen und diesen als nicht-beugenden Strahl, insbesondere als einen realen oder virtuellen Bessel-artigen Laserstrahl auszugeben. Insbesondere kann das optische Strahlformungssystem hierzu umfassen: zur Phasenaufprägung der zweidimensionalen Phasenverteilung

- ein diffraktives optisches Strahlformungselement, das aneinander angrenzende Flächenelemente aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und/oder

- ein Axicon oder inverses Axicon, und optional eine Teleskopanordnung zum Abbilden einer mit der zweidimensionalen Phasenverteilung erzeugten realen oder virtuellen Fokuszone in das Werkstück. In einigen Weitbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann das optische Strahlformungssystem dazu eingerichtet sein, ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz zu bewirken. Ferner kann das optische Strahlformungssystem eine phasenkorrigierende Optik, insbesondere eine Zylinderlinse, einen, optional deformierbaren, Spiegel oder ein diffraktives optisches Strahlformungselement, umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung einer Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls durch eine gekrümmte Oberfläche in das Werkstück entgegenwirkt, vorzunehmen. Ferner kann die Steuerung optional dazu eingerichtet sein, die Phasenkorrektur zu regeln, insbesondere eine Krümmung eines deformierbaren Spiegels oder Phasenbeiträge eines diffraktiven optischen Strahlformungselements, in Abhängigkeit der am Auftreffpunkt vorliegenden Krümmung einzustellen.

In einigen Weitbildungen kann das Verfahren ferner umfassen, eine phasenkorrigierende Strahlformung vorzunehmen, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls durch eine gekrümmte Oberfläche in das Werkstück entgegenwirkt. Optional kann das Verfahren ferner ein Regeln der phasenkorrigierenden Strahlformung, insbesondere der Krümmung eines deformierbaren Spiegels oder der Phasenbeiträge eines diffraktiven optischen Strahlformungselements, in Abhängigkeit der am Auftreffpunkt vorliegenden Krümmung umfassen.

In einigen Weitbildungen kann das Verfahren zur Ausbildung der langgezogene Fokuszone ferner den Schritt umfassen:

Strahlformen des Laserstrahls zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone in dem Material des Werkstücks, wobei das Strahlformen mit einer Anordnung von diffraktiven, re- flektiven und/oder refraktiven Optiken durchgeführt wird und eine fokusbildende Strahlformung, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück durch Interferenz bewirkt, umfasst.

Optional kann das Strahlformen des Laserstrahls ein Aufprägen mindestens einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf den Laserstrahl zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone in dem Material des Werkstücks umfassen, wobei die mindestens eine Phasenverteilung für die fokusbildende Strahlformung „erste“ Phasenbeiträge umfassen kann, die das Einlaufen von Strahlanteilen unter dem Einlaufwinkel bewirken und insbesondere einen nicht-beugen- den Strahl für die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im Werkstück erzeugen.

Zusätzlich kann das Strahlformen eine phasenkorrigierende Strahlformung umfassen, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegenwirkt.

Wird das Strahlformen des Laserstrahls durch ein Aufprägen mindestens einer zweidimensionalen Phasenverteilung auf den Laserstrahl zum Ausbilden einer langgezogenen Fokuszone in dem Material des Werkstücks bewirkt, kann die mindestens eine Phasenverteilung für die phasenkorrigierende Strahlformung „zweite“ Phasenbeiträge, die eine vom Laserstrahl bei einem Eintritt in das Werkstück lokal akkumulierte Eintrittsphase aufheben, umfassen. Die lokal akkumulierte Eintrittsphase kann für eine Ausrichtung der Strahlachse entlang einer Normalenrichtung der Oberfläche an einem Auftreffpunkt der Strahlachse auf die Oberfläche bestimmt sein und insbesondere den Einlaufwinkel, einen Krümmungsradius der Oberfläche am Auftreffpunkt und/oder einen Brechungsindex des Werkstücks berücksichtigen. Die zweiten Phasenbeiträge können eine zu einer Symmetrieachse achsensymmetrische Phasenverteilung ausbilden, wobei die zweiten Phasenbeiträge parallel zur Symmetrieachse konstant sind und sich senkrecht zur Symmetrieachse verändern.

Die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge können mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement auf ein transversales Strahlprofil des Laserstrahls aufgeprägt werden, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente aufweist, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, und wobei die Phasenschiebungswerte die ersten Phasenbeiträge und/oder die zweiten Phasenbeiträge bewirken

Ferner kann das Verfahren in einigen Weitbildungen den Schritt umfassen:

Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung an eine Änderung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche entlang der Abtasttrajektorie des Laserstrahls, wobei ein Steuerungssignal zum Anpassen der phasenkorrigierenden Strahlformung insbesondere anhand einer Vorvermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche (9A) entlang der Trajektorie und/oder anhand einer Onlinevermessung einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche während einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone entlang der Abtasttrajektorie abgeleitet wird.

Ferner kann das Verfahren in einigen Weitbildungen den Schritt umfassen:

Einstellen von Strahlparameter des Laserstrahls derart, dass das Material des Werkstücks in der langgezogenen Fokuszone modifiziert wird.

Zusammengefasst kann gemäß den hierin offenbarten Konzepten ein Prozess zur Laserbearbeitung von transparenten Materialien mit gekrümmten Oberflächen umgesetzt werden. Die hierin offenbarten Verfahren können ein energieeffizientes und verschleißfreies Trennen von z.B. Glasröhren, Glasstäben und allgemein von ähnlichen dreidimensionalen Geometrien mit einer hohen Qualität und einer hohen Prozessgeschwindigkeit ermöglichen.

Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 Abbildungen zur Verdeutlichung von nicht-beugenden Strahlen im Vergleich mit einem Gauß-Strahl,

Fig. 2 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage für die Materialbearbeitung, insbesondere für ein Modifizieren eines Materials eines Werkstücks, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist,

Fig. 3 A bis 3E schematische Skizzen von Querschnitten von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen,

Fig. 4A bis 4C Skizzen zur Verdeutlichung einer Lasermaterialbearbeitung eines Rohres mit einem elliptischen Querschnitt,

Fig. 5 A bis 5C Skizzen zur Verdeutlichung einer Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks aus einem Vollmaterial mit teilweise gekrümmter Oberfläche im Bereich abgerundeter Ecken,

Fig. 6 ein beispielhafter Aufbau eines optischen Systems für einen Laserbearbeitungskopf zur Erzeugung von langgezogenen Modifikationen in einem Werkstück, Fig. 7 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Trennverfahrens eines modifizierten Werkstücks,

Fig. 8 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Trennverfahrens eines mit asymmetrisch ausgebildeten Modifikationen modifizierten Werkstücks,

Fig. 9Abis 9C Beispiele von entlang Innenkonturen bearbeiteten Werkstücken,

Fig. lOAu. 10B Skizzen zum Verdeutlichen des Einsatzes und der Erzeugung von lateral asymmetri sehen Intensitätsverteilungen,

Fig. 11 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Nass-Ätz-Trenn- verfahrens und

Fig. 12 ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Materialbearbeitung mit einem Laserbearbeitungsschritt zum Einschreiben von Modifikationen und einem nachfolgenden Trennschritt.

Die hierin beschriebenen Aspekte beziehen sich insbesondere auf die Anwendung von nichtbeugenden Strahlen bei der Materialbearbeitung. Nicht-beugende Strahlen (^non-diffractive (nd) beams'") können durch Wellenfelder ausgebildet werden, die der Helmholtz-Gleichung

V²(/ (r) + k²U (r) = 0

' ' ' ^z (Gleichung 1) genügen und eine klare Separierbarkeit in eine transversale (d.h., in x- und y-Richtung) Abhängigkeit und eine longitudinale (d.h., in z-Richtung/ Ausbreitungsrichtung) Abhängigkeit der

Form

aufweisen.

— C

Hierbei ist ' der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen Komponenten k² = k)". + k² _uncj U x, y) _ejne beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x und y abhängt. Da die z- Abhängigkeit in Gleichung 2 eine reine Phasenmodulation aufweist, ist eine Intensität

einer die Gleichung 2 lösenden Funktion propagationsinvariant und wird als „nicht-beugend“ bezeichnet:

Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen der Helmholtz-Gleichung in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie z.B. sogenannte Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder sogenannte Bessel-Strahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.

Siehe hierzu auch J. Turunen and A. T. Friberg, “Propagation-invariant optical fields”, in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) sowie M. Woerdemann, “Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation ”, Springer Science & Business Media (2012).

Es lassen sich eine Vielzahl von Typen nicht-beugender Strahlen in guter Näherung realisieren. Diese realisierten nicht-beugenden Strahlen werden hierin der Einfachheit halber weiterhin als „endlich begrenzte nicht-beugende Strahlen“, „nicht-beugende Strahlen“, oder auch als „quasi nicht-beugende Strahlen“, bezeichnet. Sie führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist auch eine ihnen zugeordnete Länge L einer Propagationsinvarianz.

Fig. 1 zeigt im Vergleich mit Intensitätsdarstellungen eines konventionellen Gauß-Fokus (siehe das Propagationsverhalten eines Gauß-Fokus in Abbildung (a) der Fig. 1) das Propagationsverhalten von nicht-beugenden Strahlen anhand von Intensitätsdarstellungen in Abbildungen (b) und (c). Die Abbildungen (a), (b) und (c) zeigen jeweils einen Längsschnitt (x-z- Ebene) und einem Transversal schnitt (x-y-Ebene) durch den Fokus eines Gauß-Strahls bzw. von nicht-beugenden Strahlen, die in z-Richtung propagieren.

Die Abbildung (b) bezieht sich beispielhaft auf einen rotationssymmetrischen nicht-beugenden Strahl, hier ein Bessel-Gauß-Strahl. Die Abbildung (c) bezieht sich beispielhaft auf einen asymmetrischen nicht-beugenden Strahl. Für einen Bessel-Gauß-Strahl zeigen die Abbildungen (d) und (e) der Fig. 1 ferner Details eines zentralen Intensitätsmaximums. So zeigt Abbildung (d) der Fig. 1 einen Intensitätsverlauf in einer transversalen Schnittebene (X-Y-Ebene) und eine transversalen Intensitätsverlauf in X-Richtung. Die Abbildung (e) der Fig. 1 zeigt Details des zentralen Intensitätsmaximums in einem Schnitt in Propagationsrichtung.

JGF

Für den Vergleich wird ein Fokusdurchmesser 0 des Gauß-Fokus definiert, wobei der Gauß-Fokus über die zweiten Momente festgelegt wird. Ferner wird eine zugehörige charakte- z_R = «^F)² /4A ristische Länge über die Rayleigh-Länge ^{1 u} ' ' definiert, die als eine Distanz ausgehend von der Fokusposition festgelegt wird, bei der der Strahl querschnitt um einen Faktor 2 zugenommen hat. Ferner wird für einen quasi nicht-beugenden Strahl ein transversaler JND

Fokusdurchmesser als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums JND definiert, wobei der transversaler Fokusdurchmesser ^u0 durch die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima (z.B. Intensitätsabfall auf 25 %) gegeben ist. Siehe hierzu z.B. die Abbildungen (b) und (d) der Fig. 1. Die longitudinale Ausdehnung des nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaximums kann als eine charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls angesehen werden. Sie ist definiert über einen Intensitätsabfall auf 50 %, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum, jeweils in positive und negative z-Richtung, siehe Abbildungen (c) und (e) der Fig. 1.

Hierin wird von einem quasi nicht-beugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transver- JND Äi r/^ÜF sale Dimensionen, z.B. ^u0 ~ ^u0 , die charakteristische Länge L des nicht-beugenden Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > IOZR

(Quasi-) Bessel-Strahlen, auch als Bessel-ähnliche Strahlen bekannt, sind Beispiele einer Klasse von (quasi) nicht-beugenden Strahlen. Bei derartigen Strahlen gehorcht die transversale Feldverteilung

in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel- Funktion erster Art der Ordnung n. Eine Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die sogenannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugbarkeit weit verbreitet sind. Ein Bessel-Gauß-Strahl kann z.B. durch Beleuchten eines Axicons in refraktiver, dif- fraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gauß-Strahl geformt werden.

Eine zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse im Bereich einer zugehörigen langgezogenen Fokuszone gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel -Funktion erster Art der Ordnung 0 (in guter Näherung), die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist, siehe Abbildungen (d) und (e) der Fig. 1, wobei die gezeigten Intensitätsverteilung dem Betragsquadrat einer Bessel -Funktion (in guter Näherung) entsprechen.

Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von JND = 9 5 nm u₀ .o .iii _au Qj_{e ZU}g_ehörige Länge L kann ohne weiteres 1 mm übersteigen, siehe Abbildung (b) der Fig. 1. Ein Fokus eines Gauß-Strahls mit ~ ^— 2.5 fim _zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich ~ 5 Jim b_{ei einer} Wellenlänge A vonl pm aus, siehe Abbildung (a) der Fig. 1. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen gilt demnach sogar für die zugehörige Länge

beispielsweise das 100- fache oder mehr oder sogar das 500-fache oder mehr der Rayleigh-Länge.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass, soll ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche mit einem nicht-beugenden Strahl, insbesondere einem auf Interferenz-basierenden lang gezogenen Bearbeitungsfokus (Fokuszone des Laserstrahls wie er mit einer Bearbeitungsoptik erzeugt werden kann), bearbeitet werden, die gekrümmte Oberfläche sich auf die Ausbreitung des nicht-beugenden Strahls, insbesondere die Ausbildung der Interferenz, auswirken kann. Um z.B. die Interferenz möglichst wenig zu beeinflussen oder den nicht-beugenden Strahl zumindest möglichst symmetrisch in Abhängigkeit der Kontur der gekrümmten Oberfläche eines Werkstücks zu beeinflussen, haben die Erfinder erkannt, dass ein zu modifizierendes Werkstück relativ zum Bearbeitungsfokus derart zu bewegen ist - insbesondere durch Rotation und Translation des Werkstücks und/oder einer Bearbeitungsoptik, dass eine optische Achse des einfallenden Laserstrahls immer möglichst senkrecht zu einem vom Laserstrahl durchlaufenen Abschnitt der Oberfläche des Werkstücks steht. Mit einer derartigen Relativbewegung kann dann eine Modifikationsfläche (definiert durch eine Mehrzahl von Modifikationen) im Material des Werkstücks erzeugt werden. Entlang der Modifikationsfläche kann das Werkstück insbesondere bei Vorliegen von mechanischem, thermischem und/oder chemischem Stress getrennt werden.

So wurde erkannt, dass trotz beim Eintritt in ein Werkstück auftretenden Aberrationen eine Propagation des nicht-beugenden Laserstrahls, und insbesondere die Interferenzausbildung im Material eines z.B. Rohrs oder Zylinders, aufgrund des im Wesentlichen senkrechten Einfalls weniger beeinflusst werden kann. Bei Vornahme der entsprechenden Ausrichtung während der Laserbearbeitung können mit einem gepulsten nicht-beugenden Laserstrahl (bei entsprechend eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Pulsdauer und Fokuszonengeometrie) langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche eingeschrieben werden. Derartig erzeugte strukturelle Modifikationen im Material des Werkstücks können eine Modifikationsfläche ausbilden und z.B. wie bei planen Werkstücken einen Trennvorgang ermöglichen. Zusammenfassend wird ein Verfahren zum Modifizieren und/oder Trennen transparenter Materialien entlang einer zweidimensionalen Modifikations-/Trenn-Geometrie (hierin auch als eine Außenkontur bezeichnet, die zum Unterteilen des Werkstücks in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks genutzt wird) oder entlang einer dreidimensionalen Modifikati- ons-/Trenn-Geometrie (hierin auch als Innenkontur bezeichnet, die auf der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks als geschlossene Abtasttrajektorie zum Auslösen eines durch die Innenkontur abgegrenzten Bereichs genutzt wird) u.a. dadurch ermöglicht, dass ein Werkstück durch eine Achsenvorrichtung so zur optischen Achse einer Bearbeitungsoptik ausgerichtet wird, dass eine gewünschte Modifikationsfläche innerhalb des Volumens des Werkstücks, hervorgerufen wird. Im Unterschied zum Unterteilen eines Werkstücks entlang einer Außenkontur ist ein Heraustrennen/Herauslösen eines Bereichs, der von einer (unter Umständen auch komplexeren) Innenkontur abgegrenzt ist, gegebenenfalls nur unter an Einbezug eines weiteren oder nachfolgenden Bearbeitungsschritts möglich. Insbesondere kann das Herauslösen mithilfe von „Assistmodifikationslinien“ oder selektivem Laserätzen ermöglicht werden. So kann für bestimmte Trenngeometrien bei Innen- und Außenkonturen ein Herauslösen/Trennen erleichtert (oder überhaupt erst möglich) werden, wenn eine oder mehrere Assistmodifikationslinien in Form von Hilfsmodifikationen in den Bearbeitungsvorgang aufgenommen werden. Bspw. können Linien von Hilfsmodifikationen (Hilfsmodifikationskurven), die tangential an die gewünschten Modifikationslinie/Trennlinie hereinreichen, das Trennen/Herauslösen eines Teilbereichs des Werkstücks (Substrats) ermöglichen. Dies kann sequentiell solange wiederholt werden, bis die finale Geometrie erreicht wird.

Ein Modifizieren (und damit ermöglichtes Trennen) kann durch nichtlineare Absorption von Laserbearbeitungspulsen eines Ultrakurzpulslasers insbesondere erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, dass eine Tangentialfläche an einen Auftreffpunkt immer möglichst senkrecht zu einer optischen Achse des jeweiligen, das Material modifizierenden Laserbearbeitungspulses ausgerichtet ist.

Nachfolgend wird in Zusammenhang mit Fig. 2 eine Laserbearbeitungsanlage beschrieben, die es zum Beispiel erlaubt, Werkstücke mit einer gekrümmten Oberfläche in zwei Teile zu trennen. Beispielhafte Querschnitte von Werkstücken sind in den Figuren 3 A bis 3E gezeigt. Das zugrundeliegende Laserbearbeitungsverfahren wird ferner in Verbindung mit den Figuren 4Abis 4C und 5 A bis 5C beschrieben. Ein beispielhaftes optisches System zur Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone/eines nicht-beugenden Strahls, wie sie bei den Laserbearbeitungsverfahren z.B. in einem Laserbearbeitungskopf eingesetzt werden kann, wird in Verbindung mit Fig. 6 erläutert. Die Figuren 7 und 8 verdeutlichen beispielhafte thermische Trennverfahren.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 101 mit einem Lasersystem 1. Das Lasersystem 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 1A zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird einem Laserbearbeitungskopf 1B des Lasersystems 1 zugeführt, wobei der Laserbearbeitungskopf 1B von einer Strahljustagehalterung IC gehalten wird.

Optional kann die Strahljustagehalterung IC im Raum positioniert und ausgerichtet werden, um beispielsweise eine optische Achse 5 des aus dem Laserbearbeitungskopf 1B austretenden Laserstrahls 3 in seiner Lage im Raum einstellen zu können. Beispielhaft sind in Fig. 2 in der Strahljustagehalterung IC die Möglichkeit von Translationsbewegungen in x-, y- und z-Rich- tung sowie Rotationsbewegungen in der x-z-Ebene sowie in der x-y-Ebene schematisch angedeutet.

Der Laserbearbeitungskopf 1B umfasst beispielsweise ein optisches (Strahlformungs-) System 7A, einen Umlenkspiegel 7B und eine Fokussierlinse 7C. Die Strahlformung dient dazu, den gepulsten Laserstrahl 3 mit einem Strahlprofil auszubilden, das in eine Fokuszone zur Materialbearbeitung eines Werkstücks 9 fokussierbar ist (beispielsweise zur Ausbildung eines nichtbeugenden Strahls). Die Fokuszone ist bevorzugt entlang der Strahlachse 5 langgezogen ausgebildet.

Ferner umfasst die Laserbearbeitungsanlage 101 einen Abstandssensor 11, der beispielsweise am Laserbearbeitungskopf 1B angeordnet ist und für eine Ab Standsmessung zwischen dem Laserbearbeitungskopf 1B und dem Werkstück 9 ausgebildet ist. Beispielhafte Abstandssensoren sind z.B. konfokale Weißlichtsensoren, Weißlichtinterferometer (wie optische Kohärenz- Tomographen) oder kapazitive Sensoren.

Für die Laserbearbeitung kann z.B. die langgezogene Fokuszone auf der Oberfläche des Rohres 9 beginnen. Alternativ kann der Beginn der langgezogenen Fokuszone vor der Oberfläche des Rohres 9 oder erst im Rohr 9 liegen. Die Positionierung des optischen Systems zum Werkstück kann bevorzugt in Strahlausbreitungsrichtung (entlang der Strahlachse) eine Z-Lagentoleranz von wenigen 100 Mikrometern, z.B. ±200 pm aufweisen.

Hinsichtlich der präzisen Justage kann ein Justagevorgang durchgeführt werden, beispielsweise mit der in der deutschen Patentanmeldung 10 2020 103 884.4, “Justage- Vorrichtung für eine Bessel-Strahl-Bearbeitungsoptik und Verfahren”, mit Anmeldetag 14. Februar 2020 der Anmelderin beschriebenen Anordnung.

Für die Laserbearbeitung mittels Volumenabsorption ist das Werkstück 9 weitgehend für den Laserstrahl 3 transparent. Wie in Fig. 2 gezeigt weist das Werkstück 9 eine gekrümmte Oberfläche 9A auf. Das Werkstück 9 kann beispielsweise aus einem (für die Laserwellenlänge des eingesetzten gepulsten Laserstrahls 3 weitgehend) transparenten Material in z.B. keramischer oder kristalliner Ausführung wie Glas, Saphir, transparente Keramik, Glaskeramik bestehen. Transparenz eines Materials bezieht sich hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwellenfluenz/-intensität kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispielsweise auf einer Länge einer Modifikation z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren.

Als Beispiel für ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche zeigt Fig. 2 beispielhaft ein (z.B. Glas-) Rohr in Form eines Hohlzylinders, dessen Zylinderachse sich entlang einer Längsachse 13 erstreckt. In Fig. 2 erstreckt sich die Längsachse 13 in Y-Richtung. Ferner ist gezeigt, dass die Strahlachse 5 entlang einer Normalenrichtung N der Oberfläche 9A auf die Oberfläche 9A gerichtet ist und auf diese an einem Auftreffpunkt P trifft.

Für das in Fig. 2 gezeigte hohlzylinderförmige Werkstück zeigt Fig. 3 A einen Querschnitt mit einem Außenradius Ra und einem Innenradius Ri. Entsprechend ist eine Wandstärke durch Ra- Ri gegeben.

Eine rotationssymmetrische Geometrie eines Werkstücks ist ein Sonderfall, von dem üblicherweise Werkstücke wie Rohre durch leichte Deformationen abweichen können. Allgemein können Werkstücke gekrümmte Oberflächenabschnitte optional in Kombination mit planen Oberflächenabschnitten aufweisen. Als weiteres Beispiel zeigt Fig. 3B einen elliptischen Querschnitt eines zu bearbeitenden Rohrs. Man erkennt, dass der Krümmungsradius variiert und an den abgeflachten Seiten größer ist als an den zulaufenden Seiten.

In Fig. 3C ist als ein weiteres Beispiel ein im Wesentlichen rechteckiger Querschnitt eines Vierkantrohrs dargestellt. Dabei sind die vier Ecken des Vierkantrohrs abgerundet, sodass sich die Oberfläche in Bereiche mit im Wesentlichen planen Verlauf und in Bereiche mit einem gekrümmten Verlauf untergliedert.

Im Unterschied zu den in den Figuren 3 A bis 3C dargestellten hohlen Werkstücken zeigen die Figuren 3D und 3E Querschnitte von Vollmaterial-Werkstücken. Fig. 3D zeigt einen elliptischen Querschnitt. Wie in Fig. 3B variiert die Krümmung der Oberfläche des elliptisch geformten Vollmaterials zwischen Bereichen mit großen und kleinen Krümmungsradien. Fig. 3E zeigt einen Querschnitt einer rechteckähnlichen Grundform eines Vollmaterial, wobei die vier Ecken abgerundet ausgebildet sind.

Der Fachmann wird anerkennen, dass er die hierin offenbarten Konzepte auch für weitere geometrische Grundformen mit ähnlichen variierenden Radien, beispielsweise Halbrohre, U-Pro- file, Rohre mit Freiform-Querschnitten und (Rohr-) Bauteile, deren Querschnitte sich in Erstreckungsrichtung des Bauteils ändern (z.B. ein Rohr mit einer zumindest abschnittsweise konisch zulaufenden Oberfläche), etc. anwenden kann. Allgemein kann sich die Oberflächenkrümmung des Werkstücks hinsichtlich einer sich entlang einer Abtasttrajektorie vorliegenden Krümmung ändern.

In Fig. 2 ist ferner eine Werkstückhalterung 15 gezeigt, die dazu eingerichtet ist, das Werkstück 9 um eine Rotationsachse R zu drehen, wobei sich die Rotationsachse R entlang der Längsachse 13 des Werkstücks 9 erstreckt. Ferner ist die Werkstückhalterung 15 dazu eingerichtet, das Werkstück 9 in x- und z-Richtung zu verschieben.

Im Fall einer rotationssymmetrischen zylinderförmigen Oberfläche kann durch eine Drehung des Werkstücks 9 eine Tangente (Tangentialebene T) an die Zylinderoberfläche immer senkrecht zur optischen Achse 5 - vorgegeben durch die Ausrichtung des Laserbearbeitungskopfs 1B - verlaufen. Weicht die Oberfläche von der Rotationssymmetrie ab, d.h., ändert sich der Krümmungsradius, ist zusätzlich eine Translation in x- und z-Richtung notwendig, um einen senkrechten Einfall beizubehalten. Bei Rotation und Translation des Werkstücks und durch die nichtlineare Absorption der gepulsten Laserstrahlung (d.h., der Energie der Laserpulse) kann eine Modifikationsfläche im Material des Werkstücks, beispielsweise im Mantel des Hohlzylinders, erzeugt werden, an der das Werkstück 9 in zwei Teile getrennt werden kann. In anderen Worten ist es bei einer komplexeren Geometrie, beispielsweise dem angesprochenen elliptischen Rohr oder dem Vierkantrohr) notwendig, zusätzlich zur Rotation eine Translationsbewegung in zwei Dimensionen durch ein zusätzliches Achsensystem bereitzustellen, sodass die Bedingung einer lokalen senkrechten Bearbeitung durchgehend gewährleistet werden kann.

Fig. 2 zeigt ferner eine Steuerung 17, die mit dem Lasersystem 1, insbesondere der Laserstrahlquelle 1 A, dem Laserbearbeitungskopf 1B und der Strahljustagehalterung IC, dem Abstandssensor 11 und der Werkstückhalterung 15 zum Empfangen von Daten und Abgeben von Steuerungsdaten über Datenverbindungen 17A verbunden ist. Die Steuerung 17 kann ferner eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametem und Werkstückparametern durch einen Benutzer aufweisen. Beispielsweise können Messdaten des Abstandssensors 11 übertragen o- der Geometriedaten eines Querschnitts des Werkstücks 9 bezüglich einer vorgesehenen Rotationsachse R eingelesen werden. Ferner können Soll-Werte für den Laserstrahl an das Lasersystem 1, wie z.B. Pumplaserleistung, Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines „spatial light modulator“ SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung des Bearbeitungskopfes 1B, sowie Rotationsparameter oder Translationsparameter an die Werkstückhalterung 15, wie sie zum Abfahren einer Abtasttrajektorie 21 führen, ausgegeben werden.

Allgemein umfasst die Steuerung 17 elektronische Steuerungsbauteile wie einen Mikroprozessor 17B zum Ansteuem von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 101. Der Mikroprozessor 17B kann dazu eingerichtet/programmiert sein, die empfangenen Daten auszuwerten und entsprechende Steuerungsdaten zu berechnen, mit denen die hierin offenbarten Bearbeitungsvorgänge mithilfe der Laserbearbeitungsanlage 101 durchgeführt werden können.

Allgemein wird der Laserstrahl 3 durch Strahlparameter wie Ausbildung von Einzellaserpulsen oder Gruppen von Laserpulsen, Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Pulsenergie, Strahldurchmesser und Polarisation bestimmt. Für die Materialbearbeitung weisen die Laserpulse z.B. Pulsenergien auf, die zu Pulsspitzenintensitäten führen, die eine Volumenabsorption im Material der Rohrwand und damit eine Ausbildung einer Modifikation 19 in einer gewünschten langgezogenen Geometrie bewirken. Hierzu kann eine Fokusverteilung in Form eines nicht-beugenden, z.B. Bessel-ähnlichen Strahls erzeugt werden, mit der das Material des Werkstücks in einer gewünschten, aus vielen länglichen Modifikationen 19 bestehenden Modifikationsfläche in einer Einzelüberfahrt über die Werkstückoberfläche modifiziert werden kann.

Die Strahljustagehalterung IC und/oder die Werkstückhalterung 15 sind dazu ausgebildet, für die Bearbeitung des Werkstücks 9 eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 9 und der optischen Achse 5 für die Lasermaterialbearbeitung durchzuführen. So kann der Auftreffpunkt P des Laserstrahls 3 auf der gekrümmten Oberfläche 9A an verschiedenen Positionen zur Ausbildung einer Anordnung von Modifikationen 15 positioniert werden. Der Auftreffpunkt P wird dazu entlang der Abtasttrajektorie 21 bewegt. Die Abtasttrajektorie 21 verläuft auf der Werkstückoberfläche 9A, z.B. in der x-z-Ebene in Fig. 2, beispielsweise kreisförmig oder elliptisch für ein Werkstück mit dem in Fig. 3B gezeigten Querschnitt. Es ergibt sich eine Abfolge von Modifikationen 19, die jeweils durch einen der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls 3 (oder einer Gruppe/Burst von Laserpulsen) erzeugt werden und in das Werkstück hineinragen. Zusammen bilden die Modifikationen 19 die Modifikationsfläche aus, die in Fig. 2 beispielsweise in der x-z-Ebene liegt.

Ferner sind die Strahljustagehalterung IC und/oder die Werkstückhalterung 15 im Rahmen der hierin offenbarten Konzepte dazu ausgebildet, die optische Achse 5 des gepulsten Laserstrahls 3 zu einer Tangentialebene T, welche durch den Auftreffpunkt P verläuft, beispielsweise in einem vorgegeben Winkelbereich auszurichten. Der Winkelbereich kann beispielsweise für Wandstärken (des Mantels des Hohlzylinders) im Bereich von 1 mm und weniger (Ra-Ri < 1mm) im Bereich von 90° ± 10°, insbesondere von 90° ± 5° liegen. Für Wandstärken größer 1 mm (Ra-Ri > 1mm) kann der Winkelbereich beispielsweise im Bereich von 90° ± 5°, insbesondere 90° ± 3° liegen. Hierzu bilden die Strahljustagehalterung IC und/oder die Werkstückhalterung 15 ein Rotations-Translationssystem (Achsensystem) aus, das dazu eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 9 und der optischen Achse 5 durchzuführen. Bei der Relativbewegung wird ein durch die optische Achse 5 definierter Auftreffpunkt P des gepulsten Laserstrahls 3 auf die gekrümmte Oberfläche 9A entlang der Abtasttrajektorie 21 bewegt. Dabei wird die optische Achse 5 des Laserstrahls 3 zur Tangentialebene T am jeweiligen Auftreffpunkt P im angesprochenen Winkelbereich von 90° ± 10°/5° bzw. 90° ± 5°/3°, bevorzugt senkrecht, ausgerichtet. Das Ausrichten wird zeitlich so ausgeführt, dass die Ausrichtung jeweils zum Zeitpunkt der Einstrahlung eines eine Modifikation 19 hervorrufenden Laserpulses des gepulsten Laserstrahls 3 vorliegt.

Für die Berechnung der Steuerdaten für die Relativbewegung kann der Mikroprozessor 17B wie bereits angesprochen Geometriedaten eines Querschnitts des Werkstücks 9 bezüglich einer vorgesehenen Rotationsachse R einlesen und Steuerdaten berechnen, die eine relative Rotations-Translationsbewegung als Beispiel einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück 9 und der optischen Achse 5 definieren. Ferner kann der Mikroprozessor 17B die Steuerdaten an das Rotations-Translationssystem ausgeben, um die relative Rotations-Translationsbewegung für das Bewegen des Auftreffpunkts P auf der Oberfläche 9 A entlang der Abtasttrajektorie 21 bei gleichzeitigem Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls 3 zu veranlassen.

Ferner kann der Mikroprozessor 17B ein Regeln der Position des Auftreffpunkts P auf der optischen Achse 5 zum Einstellen einer Eindringtiefe der Modifikation 19 in das Material des Werkstücks 9 kontrollieren.

Für eine umlaufende Bearbeitung kann die Werkstückhalterung 15 das Werkstück 9 um die Längsachsachse 13 rotierbar lagern. Alternativ oder ergänzend kann eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 9 und dem Laserbearbeitungskopf 1B durch ein Bewegen des Laserbearbeitungskopfes 1B bewirkt werden. Die bereitgestellten Translationseinheiten können es - als Achsenvorrichtung - erlauben, den austretenden Laserstrahl 3 und damit die optische Achse 5 und/oder das Werkstück 9 im Raum auszurichten.

Bezugnehmend auf Figuren 4Abis 4C wird eine beispielhafte Relativbewegung zur Erhaltung des orthogonalen Einfalls erläutert. In Fig. 4A wird die Einstrahlung des Laserstrahls 3 auf ein Rohr mit elliptischem Querschnitt (Rohrwand 22) senkrecht zur Tangentialebene T gezeigt. Der Auftreffpunkt P liegt mittig auf der abgeflachten Seite des Rohrs. Der Laserstrahl 3 erzeugt eine Fokuszone 23_A im Material der Rohrwand 22, in der bei entsprechend eingestellten Strahlparametern das Material in seiner Struktur modifiziert wird. Die Modifikation kann sich wie in Fig. 4A gezeigt durch die gesamte Wandstärke der Rohrwand 22 erstrecken.

Es sei nun angenommen, dass sich die Rotationsachse R der Werkstückhalterung 15 mittig durch den elliptischen Querschnitt erstreckt. Die Werkstückhalterung 15 ermöglicht eine Rotation des Rohrs um die Rotationsachse R. In Fig. 4A befindet sich die Rotationsachse R am Ort (X_A, Z A) auf der optischen Achse 5. Ferner sei angenommen, dass das Rohr (oder der Laserbearbeitungskopf 1B) in x- und z-Richtung verschoben werden kann.

Um eine durchgehende Modifikationsfläche zu erzeugen, wird das Rohr um die Rotationsachse R gedreht (Pfeil 25 in Fig. 4B), so dass sich neue Lagen der Fokuszone in der Rohrwand 22 ergeben, z.B. Fokuszone 23_B. Bei einer reinen Drehung geht allerdings der senkrechte Einfall auf die Werkstückoberfläche aufgrund der variierenden Krümmung verloren. Um auch weiterhin einen senkrechten Einfall auf die Werkstückoberfläche am Auftreffpunkt P B gewährleisten zu können, wird zugleich mit der Rotation eine Translationsbewegung der Rotationsachse R und damit des Rohrs durchgeführt. In Fig. 4B ist eine entsprechende Verschiebung der Rotationsachse R durch einen Pfeil 27 eingezeichnet. In Fig. 4B befindet sich die Rotationsachse R am Ort (X_B, Z_B).

Wird das Rohr weitergedreht, nähert sich die Rotationsachse R wieder der optischen Achse 5 an, wobei jedoch der Abstand der Rotationsachse R vom Laserbearbeitungskopf 1B im Vergleich zur Fig. 4A aufgrund der elliptischen Form entsprechend größer ist. In Fig. 4C ist eine entsprechende Verschiebung der Rotationsachse R durch einen Pfeil 29 eingezeichnet. In Fig. 4C befindet sich die Rotationsachse R am Ort (X_A, Z_C) unter dem Auftreffpunkt P C.

Eine entsprechende die Rotation begleitende Verschiebung der Rotationsachse R in der x-z- Ebene erlaubt es somit, die Fokuszone 23_A, 23_B, 23_C und damit die Modifikationen jeweils senkrecht zur Werkstückoberfläche im Material des Rohres auszurichten. Ist ein ausreichend großer Flächenanteil des Querschnitts durch die Rohrwand in ihrer Struktur modifiziert, kann das Rohr entlang der so erzeugten Modifikationsfläche getrennt werden.

Im Beispiel der Figuren 4Abis 4C umfasst die Modifikationsfläche mindestens eine Modifikation, deren Eindringtiefe mindestens 90% einer Dicke („Ra-Ri“ in Fig. 3 A) der Rohrwand 22 in Richtung der optischen Achse 5 beträgt. Beispielsweise erstreckt sich die Modifikation 19 vollständig durch die Rohrwand 22.

Die Figuren 5 A bis 5C zeigen einen entsprechenden Trennungsvorgang für ein Vollmaterial- Werkstück. Bei einer entsprechenden Rotation des Vollmaterials um eine Rotationsachse R (mittig im Querschnitt des Werkstücks) muss diese wiederum in der x-y -Ebene bewegt werden, um an jedem Punkt der Oberfläche des Werkstücks einen auf die Tangentialebene T senkrechten Einfall zu gewährleisten. Beispielhaft sind wie in den Figuren 4Abis 4C die Koordinaten der Rotationsachse R eingezeichnet, in Fig. 5A: (X_A, Z A), in Fig. 5B: (X_B, Z_B) und in Fig. 5C: (X_A, Z_C).

Für das als Vollmaterial ausgeführte Werkstück ist es ferner wichtig, dass eine Eindringtiefe 31 der Modifikationen derart gewählt wird, dass sich z.B. von den langen gegenüberliegenden Seiten eingebrachte Modifikationen annähern bzw. überlappen. Im Fall der Figuren 5 A bis 5C umfasst die Modifikationsfläche mindestens zwei Modifikationen, die sich in Richtung der optischen Achse 5 am Ende, und insbesondere im Abstand der Eindringtiefe von der gekrümmten Oberfläche, überlappen oder (insbesondere weitgenug für eine Trennung) aneinander heranragen.

Dies ist in Fig. 4C für einen bereits beidseitig bearbeiteten Bereich 33 des Werkstücks angedeutet.

In anderen Worten umfasst für ein erfindungsgemäßes Ausrichten der optischen Achse auf die Tangentialebene T das Ausrichten zum einen ein Durchführen einer Rotationsbewegung des Werkstücks 9 oder der optischen Achse 5 um die Rotationsachse R und zugleich ein Verschieben der Rotationsachse R bezüglich der optischen Achse 5. Hierbei wird die Verschiebung notwendig, sobald sich die Krümmung der Werkstückoberfläche ändert. Dabei umfasst das Verschieben der Rotationsachse R bezüglich der optischen Achse 5 zum einen ein Verschieben der Rotationsachse R entlang der optischen Achse 5 als auch ein Verändern des Abstands der Rotationsachse R von der optischen Achse 5. Insbesondere kann sich dabei die Lage der Rotationsachse R in einer Ebene ändern, die durch die Abtasttrajektorie 21 aufgespannt wird.

Die relative Rotations-Translationsbewegung umfasst somit eine Rotation des Werkstücks 9 oder einer die optische Achse 5 bestimmenden Bearbeitungsoptik 1B um die vorgesehene Rotationsachse R und/oder eine Translation des Werkstücks 9 oder der Bearbeitungsoptik 1B. Das Werkstück 9 weist eine Längsachse auf und die Rotations-Translationsbewegung umfasst eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse R, wobei die Rotationsachse R parallel zur Längsachse 13 des Werkstücks 9 verläuft. Die Ausbildung von Modifikationen setzt bekannte Einstellungen der Laserstrahlung voraus. So können Parameter des gepulsten Laserstrahls derart eingestellt werden, dass durch nichtlineare Absorption eines Laserpulses des gepulsten Laserstrahls eine in Richtung der optischen Achse längliche Modifikation im Material des Werkstücks erzeugt wird, die sich über eine Eindringtiefe (z.B. eine Länge L eines nicht-beugenden Strahls) in das Material hinein ausbildet. In Zusammenspiel mit der Abtasttrajektorie kann die Eindringtiefe derart gewählt werden, dass sich die Modifikationsfläche durch das gesamte Werkstück erstreckt (oder zumindest eine Rissbildung durch das gesamte Werkstück hindurch ermöglicht).

Üblicherweise erzeugt die Laserstrahlquelle 1 A einen kollimierten Gaußschen Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil. Die Laserstrahlquelle lA ist beispielsweise ein Ultrakurzpuls-Hochleistungslasersystem. Das optische Strahlformungssystem 7A formt aus dem Gaußschen Strahl ein Strahlprofil, das die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone/ei- nes nicht-beugenden Strahls ermöglicht; z.B. wird ein gewöhnliches oder inverses Bessel - Strahl-artiges Strahlprofil mit einem Strahlformungselement erzeugt. Das Strahlformungselement ist zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf den einfallenden Ausgangslaserstrahl ausgebildet. Das Strahlformungselement ist z.B. ein Hohlkegel-Axicon, ein Hohlke- gel-Axicon-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System oder ein dif- fraktives optisches Strahlformungselement. Das diffraktive optische Strahlformungselement kann ein programmierbares oder fest-eingeschriebenes diffraktives optisches Strahlformungselement, insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator) sein. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Systems und insbesondere des Strahlformungselements wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 Al verwiesen.

Beispielhafte Parameter des Laserstrahls 3, die im Rahmen dieser Offenbarung, insbesondere bei den verschiedenen hierin offenbarten Aspekten, Ausführungsformen und Weiterbildungen, die bevorzugt gepulste Laserstrahlung, und insbesondere ultrakurze Laserpulse, für die Materialbearbeitung verwenden, eingesetzt werden können, sind:

Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, zwischen 20 pj und 5 mJ und mehr (z.B. 1200 pj), typischerweise zwischen 100 pj und 1 mJ Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 pm > Z. > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm) Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise einige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden, insbesondere ultrakurze Laserpulse/Laser- pulsgruppen

Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden (z.B. 40 ns)

Anzahl der Laserpulse pro Modifikation: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifikation Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 10 kHz

Länge der Fokuszone im Material: größer 20 pm, bis zu einigen Millimetern Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 pm, bis zu 20 pm und mehr (sich ergebende laterale Ausdehnung der Modifikation im Material: größer 100 nm, z.B. 300 nm oder 1 pm, bis zu 20 pm und mehr) asymmetrische transversale Fokusgeometrie mit einem transversalen Achsenverhältnis größer 1 : 1 (z.B. transversale Achsenverhältnisse bis zu 5: 1 und mehr, z.B. im Bereich von 2: 1) Vorschub d zwischen zwei benachbarten Modifikationen: mindestens die laterale Ausdehnung der Modifikation in Vorschubrichtung (üblicherweise mindestens das Doppelte der Ausdehnung, beispielsweise das Vierfache oder Zehnfache (oder mehr) der Ausdehnung)

Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe von Laserpulsen, die zur Bildung einer einzigen Modifikation an einem Ort führen. Ist die Einwirkdauer wie die Pulsdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, trägt ein Laserpuls und tragen alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zu einer einzigen Modifikation an einem Ort bei. Bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeiten können auch durchgehende Modifikationszonen entstehen.

Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Bearbeitung von Volumen erlauben, die bis zu beispielsweise 20 mm und mehr (typisch 100 pm bis 10 mm) in ein Werkstück hineinragen oder sich im Inneren eines Werkstücks über diesen Längenbereich erstrecken.

Der Bearbeitungskopf 1B fokussiert den gepulsten Laserstrahl 3 in das Werkstück 9, sodass sich dort die langgezogene Fokuszone/der nicht-beugende Strahl ausbilden kann. Die langgezogene Fokuszone bezieht sich hierin auf eine dreidimensionale Intensitätsverteilung, die in dem zu bearbeitenden Werkstück das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung und damit der Modifikation des Materials mit dem Laserpuls/der Laserpulsgruppe bestimmt. Die langgezogene Fokuszone bestimmt einen langgezogenen Volumenbereich im zu bearbeitenden Werkstück, in dem eine Fluenz/Intensität vorliegt. Liegt die Fluenz/Intensität über der für die Bearbeitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität, wird entlang der langgezogenen Fokuszone eine langgezogene Modifikation 15 in das Werkstück eingeschrieben.

Mit Blick auf eine Laserbearbeitung spricht man von langgezogenen Fokuszonen, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonenachse (Durchmesser des on-axis-Maximums)) von mindestens 10: 1, beispielsweise 20: 1 und mehr oder 30: 1 und mehr, oder 1000: 1 und mehr, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann zur Modifikation 15 im Material mit ähnlichem Aspektverhältnis führen. Allgemein kann bei derartigen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung, die die Modifikation 15 bewirkt, über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Modifikation 15.

Allgemein gilt für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe mittels langgezogener Volumenabsorption, dass, sobald eine Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die resultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflussen kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem Winkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zuzuführen. Ein Beispiel hierfür ist der genannte (konventionelle) Quasi-Bessel-Strahl, bei dem eine ringförmige Femfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist. Radiale Strahlanteile werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse dabei im Wesentlichen mit diesem Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Das gleiche gilt für den inversen Quasi-Bessel-Strahl sowie für Abänderungen wie homogenisierte oder modulierte (inverse) Quasi-Bessel-Strahlen/nicht-beugender Strahlen.

Eine Strahlformung, die zu so einer langgezogenen Fokuszone führt, ist in Fig. 6 verdeutlicht. Fig. 6 zeigt beispielhaft in einer Schnittebene durch einen rotationssymmetrischen Strahlengang, wie er in einem Laserbearbeitungskopf 1B eingesetzt werden kann. Ein derartig rotationssymmetrischer Strahlengang kann beispielsweise zu einem rotationssymmetrischen nichtbeugenden Strahl führen. Bei der Verwendung von beispielsweise elliptischen nicht-beugen- den Strahlen (z.B. elliptischen Bessel-Strahlen) liegt dagegen keine Rotationssymmetrie vor. Die Ausbildung einer langgezogenen (z.B. Bessel-Strahl-basierten) Fokuszone 107 kann erreicht werden, indem über die gesamte Länge der Fokuszone Energie lateral zugeführt wird und die Bedingungen zur konstruktiven Interferenz vorliegen. Dies kann durch ein Einlaufen von (radialen) Strahlanteilen 103 A unter einem Einlaufwinkel 6 in Luft bzw. einem leicht reduzierten Einlaufwinkel im Material des Werkstücks 9 auf die Strahlachse 5 und durch Interferenz der Strahlanteile 103 A entlang der Strahlachse 5 im Werkstück 9 erreicht werden.

Zu diesem Zweck umfasst der Laserbearbeitungskopf 1B in Fig. 6 ein Axicon 41 mit einem Konuswinkel, wobei das Axicon 41 bewirkt, dass die radialen Strahlanteile 103 A jeweils unter dem Winkel 6 auf die Strahlachse 5 zulaufen und eine erste reale Bessel-Strahl-Fokuszone (Interferenzzone 43 über eine Länge 10) ausbilden.

Das Axicon 41 ist in zwei Teleskope eingebettet. Ein strahl aufwärts positioniertes Teleskop (nicht gezeigt) passt den Strahl durchmesser des Ausgangslaserstrahls auf das Axicon 41, allgemein das Strahlformungselement, an. Explizit wird in Fig. 6 das strahlabwärts positionierte zweite Teleskop 113 A mit Teleskoplinsen LI und L2 und Fokuslängen fl und f2 gezeigt, mit dem die Axiconspitze 41_S auf die gekrümmte Oberfläche des Werkstücks 9 verkleinert (Verkleinerungsfaktor M=fl/f2) abgebildet wird (Auftreffpunkt P stellt somit auch den Beginn der langgezogenen Fokuszone 7 dar). Aufgabe des zweiten Teleskops ist es, die Interferenzzone 43 verkleinert zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone 107 in das Werkstück 9 abzubilden.

Alternativ zum Axicon 41 kann die Strahlformung in einen nicht-beugenden Strahl mit einem flächigen diffraktiven optischen Strahlformungselement (siehe ein schematisches diffraktives Strahlformungselement 45 in Fig. 2), das die Phasenaufprägung des Axicons ersetzt, umgesetzt werden. Allgemein ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement dazu ausgebildet, einen Phasenbeitrag auf ein transversales Strahlprofil eines Ausgangslaserstrahls aufzuprägen, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (Flächenelemente 45 A in Fig. 2) aufweist. Die Flächenelemente bauen eine flächige Gitterstruktur auf, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist. Mithilfe von speziell gewählten Phasenschiebungswerten kann z.B. ein Axicon oder ein inverses Axicon nachgebildet werden. Die hierin offenbarten Konzepte der Ausrichtung des Laserstrahls bezüglich einer gekrümmten Oberfläche können es ermöglichen, dass trotz beim Eintritt in ein Werkstück auftretenden Aberrationen eine Propagation des nicht-beugenden Laserstrahls mit einem im Wesentlichen senkrechten Einfall weniger beeinflusst wird. Zusätzlich kann die Ausbildung des nicht-beugenden Laserstrahls, d. h., die Interferenzausbildung im Material, bei gekrümmten Oberflächen zusätzlich mit einer Phasenkorrektur kompensiert werden. Die Phasenkorrektur kann beispielsweise die während der Laserbearbeitung am Auftreffpunkt vorliegenden Krümmungen näherungsweise abdecken. Dabei erlaubt es die hierin offenbarte Ausrichtung des Laserstrahls bezüglich der Krümmung am Auftreffpunkt, dass die Phasenkorrektur auf eine bekannte/vor- gegebene geometrische Ausrichtung des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche und Laserstrahl (bevorzug ein im Wesentlichen orthogonaler Einfall) abgestellt werden kann.

Alternativ oder zumindest teilweise kann die Phasenkorrektur überdies spezifisch an eine Krümmung im Bereich des Auftreffpunkts während des Abfahrens der Bearbeitungstrajektorie angepasst werden. Die Kombination von Phasenkorrektur und entsprechender Ausrichtung während der Laserbearbeitung kann es somit erleichtern, mit einem gepulsten nicht-beugenden Laserstrahl (bei entsprechend eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Pulsdauer und Fokuszonengeometrie) langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche einzuschreiben.

Der Aspekt der Phasenkorrektur basiert dabei zum Teil auf der Erkenntnis, dass, soll ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche mit einem nicht-beugenden Strahl, wie er sich beispielsweise in einer auf Interferenz-basierenden Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls ausbildet, bearbeitet werden, die gekrümmte Oberfläche sich auf die Ausbildung des nicht-beugenden Strahls (der zugrundeliegenden Interferenz) auswirken kann. Entsprechend kann eine Strahlformung, wie sie zur Bearbeitung von planen Werkstücken genutzt wird, nicht mehr zielführend oder zumindest nicht mehr ideal sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Krümmung nicht rotationssymmetrisch ist, sondern eindimensional ausgebildet ist, wie im Fall eines zu bearbeitenden Rohrs oder Zylinders aus z.B. Glas oder einer transparenten Keramik.

Die ergänzende Phasenkorrektur erlaubt es nun überdies, dass diese Beeinflussung des nichtbeugenden Strahls durch die gekrümmte Oberfläche bei der Bearbeitung kompensiert werden kann, sodass zum Beispiel sogar für plane Werkstücke entwickelte Strahlformungskonzepte oder Strahlformungskomponenten für die Ausbildung des nicht-beugenden Strahls mit beispielsweise spezifischen Phasenaufprägungen genutzt werden können.

Ausgehend von einer für plane Werkstücke entwickelten Strahlformung kann, um die Ausbildung und Eigenschaften des nicht-beugenden Strahls, beispielsweise mit einem Bessel-Strahl- ähnlichen Strahlprofil, beizubehalten, den beim Eintritt in das Werkstück auftretenden Aberrationen mit der Phasenkorrektur entgegengewirkt werden. Dabei kann die Phasenkorrektur im Strahlengang bevorzugt in dem Bereich vorgenommen werden, in dem noch ein Gauß-förmiges oder nahezu Gauß-förmiges Laserstrahlprofil vorliegt. Die Phasenkorrektur kann so z. B. im Bereich einer Phasenaufprägung, wie sie zur Ausbildung des nicht-beugenden Strahls in Werkstücken genutzt wird, erfolgen. Bei einer quadratisch gekrümmten und zum gepulsten Laserstrahl symmetrisch ausgerichteten Oberfläche kann die Phasenkorrektur z. B. mit einfachen optischen Komponenten bewirkt werden. Gekippten Oberflächen können dagegen bereits komplex Geometrien der zur Korrektur benötigten optischen Komponenten benötigen. Dies kann insbesondere durch die hierin vorgeschlagene Ausrichtung vermieden werden, wobei auch einen näherungsweise Korrektur eingesetzt werden kann, die einen Bereich von Krümmungsradien abdeckt.

Bei Vornahme der Phasenkorrektur können mit einem gepulsten Laserstrahl bei entsprechend eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Pulsdauer und Fokuszonengeometrie langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer gekrümmten, insbesondere einer in der Krümmung variierenden, Oberfläche eingeschrieben werden.

In der am gleichen Tag eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel „LASERBEARBEITUNG EINES WERKSTÜCKS MIT EINER GEKRÜMMTEN OBERFLÄCHE“ wird die Problematik für den Eintritt eines z. B. Bessel-Strahl-geformten Laserstrahls in ein Material durch eine gekrümmte Oberfläche weiter erläutert. Der Inhalt der Anmeldung wird hierin mit Blick auf die Umsetzung der Phasenkorrektur vollumfänglich aufgenommen.

Der Fachmann wird anerkennen, dass aufgrund der Krümmung (d.h., eines lokal geneigten Einfalls) die radialen Strahlanteile eines Bessel-Strahlrings im Material unter variierenden Winkeln auf die Strahlachse zulaufen. Die Interferenzbedingungen sind beim Bessel-Strahl nur anfangs (beim inversen Bessel-Strahl nur am Ende) aufgrund der noch angenähert planen Oberfläche im zentralen Bereich um die Strahlachse gegeben. Dies ist beispielsweise die Situation für eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius von 5 mm und einen Durchmesser des auftreffenden Laserstrahls von z.B. 250 pm bis 2 mm.

Ein sich ohne Phasenkorrektur ergebender Intensitätsverlauf eines Bessel-Strahls weist z. B. entlang der Strahlachse (in Z-Richtung) hohe Intensitäten nur über einen begrenzten Bereich auf, anschließend bilden sich Zonen etwas höherer Intensität in einem Abstand von der Strahlachse aus. Die Wellenfrontaberrationen beim Durchgang durch die gekrümmte Oberfläche resultieren somit in einer Fokusverteilung mit signifikantem Intensitätsverlust in Ausbreitungsrichtung, sodass eine optische Bearbeitung von insbesondere tiefer liegenden Bereichen nicht mehr möglich wird. Die Phasenkorrektur wirkt dem entgegen und beeinflusst den Verlauf des Laserstrahls im Material derart, dass die radialen Strahlanteile z. B. auch in der Z-X-Ebene ebenfalls im Wesentlichen unter einem Winkel auf die Strahlachse zulaufen.

Zur Phasenkompensation kann vor oder nach dem Axicon 41 z. B. eine Zylinderlinse oder ein Zylinderspiegel im Strahlengang positioniert werden, deren refraktive Wirkung in der Querschnittsebene des gekrümmten Werkstücks liegt. Die Zylinderlinse stellt den Ort des Aufprägens einer achsensymmetrischen Phasenverteilung dar. Die Zylinderlinse weist z. B. einen Brechungsindex, einen Zylinderradius und eine Brennweite (der Zylinderspiegel entsprechend einen Krümmungsradius) auf, um Aberrationen des Werkstücks mit einem Krümmungsradius der Oberflächen und einem Brechungsindex zu kompensieren. Ferner kann die Phasenkorrektur mit einem strahlformenden optischen Element umgesetzt werden oder in ein z.B. eine Axi- con-Phase reproduzierendes strahlformendes Element integriert werden.

Es wird angemerkt, dass in Fig. 6 bis auf die Zylinderlinse die Optiken im Aufbau rotationssymmetrisch um die Strahlachse 5 im Fall eines rotationssymmetrischen Axicon 41 ausgebildet sein können. Aufgrund der Zylinderlinse /Zylinderspiegel wird sich die Interferenz im Anschluss an das Axicon 41 nicht mehr rotationssymmetrisch ausbilden, da sich z.B. die Bedingungen in der Interferenzzone 43 in der Z-Y-Ebene von denen in der Y-X-Ebene unterscheiden.

Wie in den Figuren 3 A bis 5C gezeigt kann die Abtasttrajektorie in einem oder mehreren Bereichen mit (im Wesentlichen) gleicher Krümmung in der Oberfläche und/oder in einem oder mehreren Bereichen mit variierender Krümmung der Oberfläche verlaufen. Bei der Laserbearbeitung kann eine Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks entlang der Strahlachse überwacht und auf eine Soll-Position (Soll-Abstand vom optischen System) geregelt werden. Überdies kann der im Wesentlichen senkrechte Einfall überwacht und geregelt werden. Das Überwachen und Regeln kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn eine Rotationsachse der Rotationsbewegung von einer Rotationssymmetrieachse der Oberfläche des Werkstücks abweicht und/oder die Oberfläche des Werkstücks zumindest abschnittsweise von einem rotationssymmetrischen Oberflächenverlauf abweicht, bzw. in der Oberflächenkrümmung variiert .

Verläuft die Trajektorie in einem Bereich mit variierender Krümmung kann die phasenkorrigierende Strahlformung in ihrer Kompensationswirkung auf die jeweils vorliegende Krümmung der Oberfläche angepasst werden. Somit kann für die jeweils vorliegende Krümmung der Oberfläche einer Beeinflussung der Interferenz durch den Eintritt des Laserstrahls in das Werkstück entgegengewirkt werden. Die Anpassung der phasenkorrigierenden Strahlformung erfolgt beispielsweise durch Berücksichtigen der jeweils vorliegenden Krümmung in der zweidimensionalen Phasenverteilung des strahlformenden Elements oder eines in der Krümmung einstellbaren (deformierbaren) Spiegels.

Die Anpassung kann beispielsweise basierend auf Messungen erfolgen, die während der Strahlbearbeitung durchgeführt werden. Eine entsprechend schnelle Analyseeinheit für die Geometrie des Werkstücks ist hierzu bereitzustellen. Alternativ oder in Ergänzung kann eine Vorvermessung der Geometrie des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie durchgeführt werden. Für die Vorvermessung kann die Laserbearbeitungsanlage beispielsweise die für die Materialbearbeitung abzufahrende Abtasttrajektorie ohne Aktivierung der Laserstrahl quelle für die Vermessung der Geometrie des Werkstücks abfahren.

Vorausgehend wurden beispielhaft separate Optiken für die Strahlformung und die Phasenkompensation gezeigt. Jedoch können diese Optiken auch in einer einzelnen Optik (z.B. als refraktives/reflektives Freiformelement oder als diffraktives optisches Element) oder in einem hybriden optischen Element (Eingangsseite Zylinderlinse, Ausgangsseite Axicon; „Zaxicon“) umgesetzt werden. Ebenso können einstellbare Elemente wie deformierbare Spiegel eine SLMs genutzt werden. Hierin werden diffraktive optische Strahlformungselemente und entsprechende refraktive/re- flektive Optiken als hinsichtlich der vorzunehmenden Phasenaufprägung im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel angesehen.

Ferner wird ergänzt, dass eine Modifikation im Rahmen dieser Offenbarung eine strukturelle Veränderung des Materials des Werkstücks darstellt, die das Material z.B. von einem nichtätzbaren Zustand des nicht-modifizierten Materials in einen ätzbaren Zustand des modifizierten Materials überführt. Entsprechend sind Modifikationen insbesondere durch eine Zunahme der nass-chemischen Ätzbarkeit im Vergleich zum nicht-modifizierten Material gekennzeichnet. Eine Modifikation des Materials kann von einer Ausbildung eines ebenfalls langgezogenen Hohlraums begleitet werden.

Mit den hierin beschriebenen Bearbeitungsverfahren können Werkstücke mit gekrümmten Oberflächen wie Rohre, Zylinder oder Abschnitte eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, bearbeitet werden. Je nach Abtasttrajektorie 21 kann ein Abtrennen eines zum Beispiel Rohrstücks oder ein Ausschneiden/ Abtrennen von Strukturen aus dem Werkstück 9 bewirkt werden.

Als Ergebnis der laserbasierten Werkstückbearbeitung kann ein Werkstück vorliegen, in das eine Mehrzahl von beabstandeten oder ineinander übergehenden Modifikationen eingebracht wurden. Bei einem Rohr sind diese zum Beispiel umlaufend eingebracht. Die Modifikationen können zusätzlich Risse im Material ausbilden, die sich zwischen benachbarten Modifikationen oder allgemein zufällig ausgehend von einer der Modifikationen in das Material des Werkstücks hinein erstrecken.

Die zuvor erläuterten Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks mit einem Laserstrahl können einen ersten Abschnitt eines Trennvorgangs eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche in zwei Teile darstellen. Nach Abschluss der Materialbearbeitung mit dem Laserstrahl ist das Werkstück zwar mit vielen Modifikationen im Material versehen, jedoch besteht oft noch eine ausreichende Verbindung aus nicht modifiziertem Material zwischen den beiden Teilen. Entsprechend ist ein zweiter Abschnitt des Trennvorgangs notwendig, in dem diese verbleibenden Verbindungen gelöst werden, um die vollständige Trennung des Werkstücks in zwei Teile zu erreichen. Hinsichtlich des zweiten Trennvorgangs wird ergänzt, dass eine Modifikation im Rahmen dieser Offenbarung eine strukturelle Veränderung des Materials des Werkstücks darstellt, die das Material z.B. von einem nicht-ätzbaren Zustand des nicht-modifizierten Materials in einen ätzbaren Zustand des modifizierten Materials überführt. Entsprechend können Modifikationen insbesondere durch eine Zunahme der nass-chemischen Ätzbarkeit im Vergleich zum nichtmodifizierten Material gekennzeichnet sein. Entsprechend kann eine Trennung des Glasrohrs in zwei Teile im Rahmen eines nass-thermischen Ätzvorgangs erreicht werden.

Ein weiterer Ansatz zum Trennen eines Werkstücks in zwei Teile kann darauf basieren, dass eine Modifikation des Materials von einer Ausbildung eines ebenfalls langgezogenen Hohlraums begleitet werden kann. Ist dies der Fall, und sind ausreichend viele Hohlräume umlaufend im Glasrohr ausgebildet worden, kann ein (insbesondere spontanes) Brechen des Glasrohrs entlang einer von der Abfolge von Hohlräumen gebildeten Schwächungslinie eintreten.

Ein weiterer Ansatz zum Trennen eines Werkstücks mit einer Abfolge von Modifikationen verwendet eine thermisch induzierte, thermisch unterstützte und/oder thermisch erweiterte Rissbildung. In Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 wird ein derartiger beispielhafter thermischer Trennprozess von bearbeiteten Werkstücken am Beispiel eines Glasrohrs 201 mit einem elliptischen Querschnitt erläutert, wobei das Glasrohr 201 mithilfe eines nicht-beugen- den Strahls entlang einer umlaufenden Trajektorie beispielsweise an gleich-beabstandeten Positionen modifiziert wurde.

Für einen thermisch unterstützten Trennvorgang kann die in Fig. 2 gezeigte Laserbearbeitungsanlage zusätzlich eine Wärmequelle und/oder eine Kühlquelle umfassen. Alternativ kann die Wärmequelle und/oder die Kühlquelle im Rahmen einer eigenständigen Trenn- Vorrichtung mit den entsprechend benötigten Freiheitsgraden vorgesehen werden.

In Fig. 7 sind schematisch eine Wärmequelle 203 und eine Kühlquelle 205 gezeigt, die dazu ausgebildet sind, das Glasrohr 201 insbesondere im Bereich der Modifikationen zu erwärmen oder zu kühlen. Dazu kann eine lokale Erwärmung/Kühlung in Kombination mit einer Rotation des Glasrohrs (angedeutet durch den Pfeil 206 in Fig. 7) vorgenommen werden. Eine lokale Erwärmung kann beispielsweise mit einer lokalisierten Flamme, die auf das Werkstück gerichtet wird, oder einem CO2-Laser-Strahl der auf das Werkstück eingestrahlt wird, bewirkt werden. Eine (lokale oder großflächige) Abkühlung kann beispielsweise mit einem Wasser- Gas-Gemisch, das auf das Werkstück gesprüht wird oder beispielsweise durch einen Hohlraum des Werkstücks strömt, bewirkt werden.

Der Trennprozess kann drei Teilschritte 207A, 207B, 207C umfassen. Wie nachfolgend erläutert wird in dem Trennprozess das Glasrohr 201 thermisch derart beeinflusst wird, dass es sich in zwei Glasrohrteile 201A, 201B auftrennt/auftrennen lässt. Ein auf Nass-Ätzen basierender Trennvorgang ist in Fig. 11 für den Fall des Einbringens einer Öffnung in ein Glasrohr schematisch verdeutlich.

Im Teilschritt 207Ain Fig. 7 erkennt man das Glasrohr 201 (perspektivisch dargestellt) mit einer Anordnung von symmetrischen Modifikationen 209. Die Modifikationen 209 erstrecken sich beispielsweise von der Oberfläche des Glasrohrs 201 radial in dieses hinein. Die Modifikationen 209 liegen in einer Zone 209A vor, die sich um das Glasrohr beispielsweise kreisförmig erstreckt. Die Modifikation sind in der Zone 209A entlang einer Außenkontur aufgereit. Mit anderen Worten erstreckt sich die Anordnung von Modifikationen 209 einmal um das Glasrohr 201 herum, wie man es an dem vergrößerten (abgerollten) Ausschnitt 211 der Oberfläche des Glasrohrs 201 erkennt. Im Beispiel der Fig. 7 ist jede der Modifikationen 209 rotationssymmetrisch in das Material des Glasrohrs 201 eingeschrieben worden, beispielsweise mithilfe eines symmetrischen Bessel-Gauß-Strahls, der als nicht-beugender Strahl die langgezogene Fokuszone im Material des Glasrohrs 201 zur Erzeugung der Modifikationen 209 ausbildet. In einer weiteren Vergrößerung 211 A des abgerollten Ausschnitts 211 wurde schematisch angedeutet, dass von den Modifikationen 209 Risse 213 ausgehen. Die Risse 213 sind zufällig ausgerichtet und/oder verlaufen (zumindest teilweise) vermehrt zwischen den Modifikationen 209. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass eine ideale Rotationssymmetrie einer Modifikation wenn überhaupt nur mit erheblichen Justage- Aufwand zu erreichen ist. Gegebenenfalls liegt eine Rest-Asymmetrie vor, die eine unkontrollierte Vorzugsrichtung in der Rissausbildung bewirken kann.

Im Teilschritt 207A wird das Glasrohr 201 derart gehalten, dass es durchgehend mittels einer Rotationsachse, beispielsweise um die Zylinderachse, gedreht werden kann. Die modifizierte Zone 209A des Glasrohrs 201 wird kontinuierlich erhitzt. Dies kann beispielsweise durch eine Flamme 203 A oder einen CO2-Laser- Strahl erfolgen. Die Rotationsgeschwindigkeit kann dabei derart gewählt werden, dass keine signifikante Abkühlung während einer Umdrehung des Glasrohrs 201 eintritt. Das Glasrohr 201 kann auf diese Weise über die komplette Materialstärke erhitzt werden (beispielsweise auf 100°C), sodass sich das Material des Glasrohrs 201 in diesem Bereich ausdehnt.

Bei der Erhitzung können bevorzugt Temperaturen erreicht werden, bei denen es bei einer sich anschließenden Abkühlung zu Spannungsspitzen im Material kommt. Für Gläser liegt die Zieltemperatur der Erwärmung beispielsweise im Bereich von 30°C bis zu einer Transformationstemperatur des jeweiligen Glases. Bei Standard-Gläsern liegt die Transformationstemperatur meist im Bereich zwischen 300°C - 900°C.

Im Teilschritt 207B wird die Oberfläche des Glasrohrs 201 nun z.B. möglichst schlagartig abgekühlt. Dies kann z.B. durch eine Kühlung mittels eines Wasser-Gas-Gemischs 205A erfolgen, das unter fortgesetzter Drehung des Glasrohrs 201 großflächig auf dieses gesprüht wird. Die Abkühlung kann z.B. mit dem Wasser-Gas-Gemischs 205 A auf eine Temperatur von kleiner als die Erhitzungstemperatur typischerweise kleiner 100° bevorzugt zwischen Raumtemperatur und kleiner 100° erfolgen, wobei das Wasser-Gas-Gemische eine Temperatur von z.B. 20° aufweist.

Somit liegt im äußeren/oberflächennahen Bereich des Materials des Glasrohrs 201 eine erheblich abgekühlte Temperatur vor und es bildet sich ein großer Temperaturgradient mit einer minimalen Temperatur an der Oberfläche des Glasrohrs 201 und einer maximalen Temperatur zum Beispiel im Bereich der Zone 209A der Modifikationen 209 auf der Innenwand des Glasrohrs 201 aus. Durch den Temperaturgradienten herrscht an der Oberfläche des Glasrohrs 201 eine Zugspannung (Pfeile 215), die einen möglichst vollständig umlaufenden Initialriss 217 an der Oberfläche des Glasrohrs 201 entstehen lässt. Der Initialriss 217 verläuft entlang der eingebrachten Modifikationen 209 und kann teilweise/ab schnittsweise auf den Rissen 213 beruhen, die bereits beim Einbringen der Modifikationen 209 entstanden sind. Der Fachmann wird ferner anerkennen, dass der Abstand der Modifikationen sich auf die Rissbildung und somit die Oberflächenqualität der erzeugten Trennflächen auswirken kann.

Im Teilschritt 207C wird das Glasrohr 201 von außen erhitzt (Flamme 203B) und optional durch ein Wasser-Gas-Gemisch 205B‘ einer Kühlquelle 205‘ von innen gekühlt. Dadurch entsteht ein Temperaturgradient über die gesamte Material dicke des Glasrohrs 201. Der Temperaturgradient führt dazu, dass sich der Initialriss 217 durch die gesamte Dicke der Wand des Glasrohrs 201 hindurch ausbreiten kann. In Fig. 7 wird der Teilschritt 207C zusätzlich schematisch an einem aufgeschnittenen Rohr hinsichtlich der wirkenden Kräfte verdeutlicht (Pfeile 219Azur Verdeutlichung der Spannung aufgrund der optionalen Abkühlung im Innenbereich des Glasrohrs 201; Pfeile 219B zur Verdeutlichung der Spannung aufgrund der Erwärmung des Außenbereichs des Glasrohrs 201).

Der Initialriss 217 geht spätestens im Teilschritt 207C in einen Trennriss 221 über, der sich vollständig durch die Wand des Glasrohrs 201 erstreckt. Verläuft der Trennriss 221 vollständig um das Glasrohr 201, liegt eine vollständige Trennung des Glasrohrs in die Teile 201 A und 201B vor.

Ein Aspekt der hierin offenbarten Konzepte betrifft ein thermisches Trennverfahren, insbesondere ein Verfahren zum thermisch induzierten Trennen eines Werkstücks, in das Modifikationen entlang einer Abtasttrajektorie eingebracht wurden, umfassend:

- Erhöhen einer Materialtemperatur des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie, insbesondere zum Erzeugen einer verstärkten Rissausbildung entlang der Abtasttrajektorie; und

- anschließendes Erniedrigen der Materialtemperatur des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie, insbesondere zum Ausbilden eines umlaufenden Initialrisses, der zu einem sich vollständig durch die Wand des Glasrohrs erstreckenden Trennriss weitergebildet werden kann.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens wird die Materialtemperaturerhöhung derart ausgeführt, dass sich im Bereich der Abtasttrajektorie durch das Material eine Temperaturerhöhung einstellt.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens wird die Materialtemperaturerniedrigung derart ausgeführt, dass sich im Bereich der Abtasttrajektorie reduzierte Temperaturen ausbilden, sodass ein Temperaturanstieg quer zur Abtasttrajektorie und optional entlang der Materialdicke ausgebildet werden kann.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens wird eine Materialtemperaturerhöhung mit einem Laserstrahl, insbesondere Infrarot-Laserstrahl, oder mit einer Gasflamme bewirkt, wobei ein der Materialtemperaturerhöhung durch den Laserstrahl oder die Flamme direkt ausgesetztes Gebiet des Werkstücks durch Relativbewegen des Werkstücks bezüglich des Laserstrahls oder der Flamme entlang der Abtasttrajektorie über die Oberfläche des Werkstücks bewegt wird.

Beispielsweise kann in einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens eine Drehung eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücks zu einem Bewegen des der Materialtemperaturerhöhung direkt ausgesetzten Gebiets entlang einer umlaufenden Außenkontur vorgenommen werden, um ein Werkstück in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks zu unterteilen. Ferner kann eine relative Dreh- und Translationsbewegung des Werkstücks bezüglich des Laserstrahls oder der Flamme zu einem Bewegen des der Materialtemperaturerhöhung direkt ausgesetzten Gebiets entlang einer beliebigen Außenkontur oder beliebigen Innenkontur vorgenommen werden. Bei einer Innenkontur wird hierbei ein durch die Innenkontur abgegrenzter Bereich ausgelöst.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens bewirkt die Materialtemperaturerhöhung und/oder -erniedrigung eine Ausbildung von quer zur Abtasttrajektorie gerichteten Zug- und/oder Druckkräften.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens wird eine Materialtemperaturerniedrigung mit einem Wasser-Gas- Sprühstrahl oder einem Gasstrom bewirkt, wobei ein der Temperaturerniedrigung ausgesetzter Bereich des Werkstücks durch den Wasser-Gas- Sprühstrahl oder den Gasstrom durch Relativbewegen des Werkstücks bezüglich des Laserstrahls oder der Flamme entlang der Abtasttrajektorie bewegt wird. Allgemein kann der der Tempera- turemiedrigung ausgesetzte Bereich größer sein als das der Materialtemperaturerhöhung direkt ausgesetzte Gebiet.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens betrifft das Verfahren ein thermisch indiziertes Trennen eines Werkstücks, in dem die Modifikationen einen Abstand von mindestens einem Fünffachen eines Modifikationsdurchmessers aufweisen. Zwischen den Modifikationen können sich nicht-überlappende oder nur teilweise überlappende Risse im Material vorliegen.

In einigen Weiterbildungen des thermischen Trennverfahrens betrifft das Verfahren insbesondere ein Werkstück, das mit im Querschnitt asymmetrischen Modifikationen versehen ist. In einigen Ausführungsformen des thermischen Trennverfahrens wird die Temperatur des Materials über einen Zeitraum von mindestens 50 ms bis 50 s, bevorzugt von 0,5 s bislO s erhöht oder erniedrigt; d. h., das Werkstück wird im Bereich der Abtasttrajektorie insbesondere einem Laserstrahl, einer Flamme, einem Wasser-Gas- Sprühstrahl oder einem Gasstrom über diesen Zeitraum ausgesetzt.

In einigen Ausführungsformen des thermischen Trennverfahrens kann ferner ein Flüssigkeits- Gas-Sprühstrahl, bevorzugt ein Gas- Sprühstrahl, oder ein Gasstrom durch einen Hohlraum des Werkstücks geleitet werden, um eine Temperaturemiedrigung radial innen liegender Materialbereiche zu bewirken.

In einigen Ausführungsformen des thermischen Trennverfahrens kann die Temperaturerhöhung mithilfe eines Infrarot-Lasers oder einer Gasflammen-Quelle als Wärmequelle bewirkt werden. Die Temperaturemiedrigung kann mithilfe einer Kältequelle bewirkt werden.

Zur Vollständigkeit wird darauf hingewiesen, dass neben einer Intensitätsverteilung in einer Fokuszone, die eine einzige symmetrische Modifikation hervorruft, eine Phasenaufprägung z.B. mit einem diffraktiven optischen Element vorgenommen werden kann, die zu einem nicht-beugenden Strahl mit einer Intensitätsverteilung in der Fokuszone führt, die eine lateral asymmetrische (z.B. in einer Vorzugsrichtung im Strahlquerschnitt abgeflachte) Modifikation oder mehrere parallel zueinander verlaufende Modifikationen hervorruft (siehe Abbildung (c) der Fig. 1). Dabei kann die Modifikation oder die Anordnung von Modifikationen mit einem Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt werden. Beispielhafte Phasenaufprägun- gen und Intensitätsverteilungen sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0, “Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage”, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in K. Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 offenbart.

Derartige asymmetrische Modifikationen oder Aufreihungen von Modifikationen können ebenfalls mit den vorausgehend für rotationssymmetrische nicht-beugende Strahlen erläuterten Konzepten für die Bearbeitung von Materialien mit gekrümmten Oberflächen genutzt werden. Mit anderen Worten kann z.B. das Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks bei jeweils entsprechend ausgerichteter optischer Achse auch mit einem nicht-beugenden Laserstrahl umgesetzt werden, der zu einer Ausbildung von derartigen asymmetrischen Modifikationen führt. Beispielsweise können nicht-rotationssymmetrische Strahlformen eingesetzt werden, die z.B. eine elliptische Fokusgeometrie mit einem Verhältnis der transversalen Achsen (größter transversaler Fokusdurchmesser zu kleinstem transversalen Fokusdurchmesser) im Bereich von 1 : 1 bis zu 5:1 und mehr aufweist, typischerweise z.B. ein Verhältnis im Bereich von 2: 1.

Fig. 8 verdeutlicht für derartige asymmetrische Modifikationen am Beispiel einer elliptisch abgeflachten Modifikation einen thermischen Trennprozess ähnlich dem in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen Trennprozess, wobei drei entsprechende Teilschritte 307A, 307B, 307C durchgeführt werden. Für Details der drei Teilschritte wird auf die vorausgehende Beschreibung der Fig. 7 verwiesen. Ferner werden die entsprechenden Bezugszeichen in Fig. 8 verwendet, mit Ausnahme von asymmetrischen Modifikationen 309, einer Modifikationszone 309A, die sich entlang der Modifikationen 309 erstreckt, und Rissen 313 (siehe Teilschritt 207A in Fig. 8).

Aufgrund der asymmetrischen Modifikationen 309 können sich die Risse 313 verstärkt entlang der Aufreihung der asymmetrischen Modifikationen 309 als beabsichtigte Vorzugsrichtung ausbilden. Im Vergleich zu zufällig verteilten Rissen können sich die Risse 313 teilweise überlappen oder ragen zumindest näher aneinander heran (wie in Fig. 8 verdeutlicht). Im Vergleich zu einer nichtkontrollierten Rissbildung aufgrund der angesprochenen unkontrolliert vorliegenden Vorzugsrichtung bei nicht ganz symmetrischen Strahlen können die Risse 313 kontrolliert ausgerichtet werden, wenn die Asymmetrie die unkontrollierte Justage-bedingte Asymmetrie übertrumpft.

Im Teilschritt 207B wird - ähnlich dem Initialriss 217 der Fig. 7 - ein Initialriss 317 gezeigt, der die asymmetrischen Modifikation 309 im Wesentlichen entlang der Risse 313 und primär auf der Oberseite des Glasrohrs 201 verbindet. Durch die Vorzugsrichtung der Risse 313 können die Ausbildung des Initialrisses 317 im Teilschritt 207B und die Ausbildung eines Trennrisses 321 im Teilschritt 207C vereinfacht werden.

In Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 wurde ein thermisches Trennverfahren für den Fall einer Materialbearbeitung eines Rohres entlang einer umlaufenden Außenkontur beschrieben. Entsprechend ist das Ergebnis eine Aufteilung des Glasrohrs in die Teile 201 A und 201B. Auf ähnliche Weise kann eine Materialbearbeitung entlang einer Innenkontur erfolgen, mit der eine Region einer Wandung des Glasrohrs aus diesem herausgelöst werden kann.

Die Strichzeichnungen der Figuren 9Aund 9B verdeutlichen die Materialbearbeitung von Glasröhren 51A, 51B entlang einer Abtasttrajektorie, die jeweils als Innenkontur zum Erstellen einer Öffnung in die Rohrwand ausgebildet ist. Fig. 9C zeigt ein Foto solcher Glasrohre mit den entsprechend ausgeschnittenen Öffnungen und den ausgelösten Wandabschnitten der Glasrohre.

Beispielhaft zeigt Fig. 9A das Glasrohr 51 A, das eine längliche Öffnung 53 A in einer Rohrwand der Dicke D aufweist. Fig. 9B zeigt entsprechend das Glasrohr 51B mit einer kreisrunden Öffnung 53B. Die Einarbeitung derartiger Öffnungen ist nicht auf Rohre mit festem Außenradius beschränkt und kann zum Beispiel ähnlich auch auf Rohre mit einer konisch zulaufenden gekrümmten Oberfläche übertragen werden.

Im Unterschied zu einer Außenkontur weist die dem Rohr 51 A zugrundeliegende Innenkontur der Öffnung 53 A vier im Wesentlichen gerade Abschnitte auf, die durch Rundungen miteinander verbunden sind. Die Öffnung 51B wird mit einer Innenkontur erzeugt, die eine gleichmäßige Krümmung aufweist, um die Kreisform zu erzeugen.

Für eine saubere Ausbildung der Öffnungsränder wird eine saubere Führung der Risse zwischen den Modifikationen bevorzugt, um insbesondere bei einem sich anschließenden Nass- Ätzvorgang (siehe Fig. 11 mit Beschreibung) eine Materi al ätzung (wenn möglich nur) entlang der Innenkontur zu verursachen. Dies stellt insbesondere bei einer gekrümmten Abtasttrajektorie spezielle Anforderungen an die Materialbearbeitung, die insbesondere mit den in Fig. 8 skizzierten asymmetrischen Modifikationen 309 und einer Orientierungsmöglichkeit der Ausrichtung der asymmetrischen Modifikationen 309 erfüllt werden können.

Fig. 10A verdeutlicht schematisch die Orientierung von asymmetrischen Modifikationen 309 in einem geraden Abschnitt und bei einem Übergang in eine Rundung. Man erkennt, wie die durch die Asymmetrie der Modifikation ausgerichteten Risse auch im Fall einer gedrehten nachfolgenden asymmetrischen Modifikation 309 sich im Wesentlichen zwischen den Modifikationen 309 erstrecken. Im Rahmen eines thermischen Trennverfahrens oder durch einen Nass-Ätzvorgang können sich Risse Modifikationen vollständig oder zumindest nahezu vollständig zwischen den asymmetrischen ausbilden, sodass ein Herauslösen des entsprechenden von der Innenkontur abgegrenzten Wandabschnitts ermöglicht wird.

Fig. 10B verdeutlicht eine beispielhafte Strahlformung eines asymmetrischen nicht-beugenden Strahls 101 basierend auf einer Bessel-Gauß- -Strahlformung. Der asymmetrische nicht-beu- gende Strahl 101 kann für die Ausbildung einer Aufreihung von asymmetrischen Modifikationen 309 genutzt werden.

Die Strahlformung erfolgt in einer Bearbeitungsoptik 103, wobei ein optischer Strahlengang eines phasenaufgeprägten Laserstrahls 104 schematisch in Fig. 10B verdeutlicht ist. Als strahl - formende Optik zeigt Fig. 10B beispielhaft ein Axicon 105 zur Aufprägung einer Phasenverteilung eines Bessel-Gauß-Strahls auf einen z.B. zirkularpolarisierten, auf das Axicon 105 einfallenden Laserstrahl 104'. Alternativ kann z.B. ein festes oder einstellbares diffraktives optisches Element eingesetzt werden. Der phasenaufgeprägte Laserstrahl 104 bildet eine erste langgezogene Fokuszone 105A in Form eines nicht-beugenden Strahls im Anschluss an das Axicon 105 entlang einer optischen Achse 106 (in Fig. 10B entlang der Z-Richtung) aus.

Eine optische Abbildung, die beispielsweise mit einer Linse oder einem Teleskop vorgenommen werden kann und eine Fokussieroptik 107 mit Brennebenen 108A, 108B einschließt, verkleinert die langgezogene Fokuszone 105A in ein zu bearbeitendes Werkstück, beispielsweise ein Glasrohr (in Fig. 10B nicht gezeigt).

Man erkennt im Strahlengang die Bessel-typische Ausbildung eines ringförmigen transversalen Strahlprofils im Anschluss an die erste langgezogene Fokuszone 105A.

Um die Wechselwirkungszone im Material asymmetrisch auszugestalten, kann nun eine polarisationsbasierte Aufteilung vorgenommen werden, wobei jeder Strahlanteil die Phasenverteilung des Bessel-Gauß-Strahls beibehält und ein relativer Orts- und/oder Winkelversatz zwischen den entsprechenden Strahlengängen eingeführt wird. Im Ergebnis wird der asymmetrische nicht-beugende Strahl 101 von zwei parallel zueinander verlaufenden zweiten langgezogenen Fokuszonen 105B_s, 105B_p der Strahlanteile gebildet, wobei die Strahl einteile bevorzugt im vorliegenden Fall nicht miteinander interferieren. Hierzu wird eine Polarisationsanordnung 109 mit einem doppelbrechenden Polarisator-Element 109Aund einem optisch isotropen Element 109B im Strahlengang im Bereich der Ringaufspaltung nach der ersten langgezogenen Fokuszone 105 A angeordnet. Das doppelbrechende Polarisator-Element 109A führt zu einer ersten Aufspaltung des Strahlengangs für unterschiedliche Polarisationszustände (hier s- und p-Polarisation). Das optisch isotrope Element 109B bewirkt zusätzlich eine weitere Veränderung des Abstands zwischen den Teilstrahlen o- der des Winkels mindestens eines der Teilstrahlen.

Die ringförmige Strahlung wird so in zwei im Wesentlichen parallel zu einander verlaufende Teilstrahlen mit orthogonalen Polarisationszuständen aufgespalten. In Fig. 10B sind die Teilstrahlen als orthogonal linear polarisierte Teilstrahlen 104_s, 104_p schematisch nach der Fokussierlinse 107 mit durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien angedeutet. Die Teilstrahlen erzeugen jeweils in Ausbreitungsrichtung lang ausgedehnte nicht-beugende Strahlen (d.h., die zweiten langgezogenen Fokuszonen 105B_s, 105B _p), die zueinander einen lateralen Ortsversatz Ax aufweisen. Aufgrund der orthogonalen Polarisationen können sich die Intensitäten der nicht-beugenden Strahlen für die Wechselwirkung mit dem Material ohne Interferenzerscheinungen addieren.

Wird der Versatz zwischen den beiden Teilstrahlen in der Größenordnung des Durchmessers der zweiten langgezogenen Fokuszonen 105B_s, 105B _p gewählt, liegt eine entsprechende im Wesentlichen elliptische Intensitätsverteilung im asymmetrischen nicht-beugenden Strahl 101 vor. Der elliptischen Intensitätsverteilung kann hinsichtlich der Wechselwirkung mit dem Material eine Vorzugsrichtung (in Fig. 10B in X-Richtung) zugeordnet werden. Diese bedient beispielsweise eine bevorzugte Rissbildung entlang der langen Halbachse der elliptischen Intensitätsverteilung.

In der in Fig. 10B beispielhaft dargestellten Ausführungsform bereitet sich ein erster der beiden Teilstrahlen 104_s entlang der ursprünglichen Propagationsrichtung (optische Achse 106 des phasenaufgeprägten Laserstrahls 104) aus, wogegen der zweite der beiden Teilstrahlen 102_p von diesem lateral leicht versetzt verläuft. Dreht man nun die Polarisationsanordnung 109 um die optische Achse 106 mit einem Drehantrieb 109C, bleibt der erste Teilstrahl 104_s unverändert auf der Propagationsrichtung. Der zweite Teilstrahl 104_p ändert seine laterale Position bezüglich des anderen Teilstrahls 104_s; d. h., der zweite Teilstrahl 104_p dreht sich bei einer Rotation der Polarisationsanordnung 109 um den ersten Teilstrahl 104_s. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der asymmetrischen Intensitätsverteilung (z.B. der großen Halbachse) eingestellt werden, sodass entsprechend ausgerichtete asymmetrische Modifikationen 309 im Material erzeugt werden können. Beispielsweise kann die Polarisationsanordnung 109 zwischen zwei jeweils eine Modifikation 309 erzeugenden Laserpulsen/Laserpuls- gruppen um einen Winkel im Bereich von 0° bis 360° gedreht werden, um so eine gekrümmte Abtasttrajektorie im Bereich der Rundung zu erzeugen, wie es beispielhaft in Fig. 10A angedeutet ist. Entsprechend wird auch die Vorzugsrichtung bei der Rissbildung an den Verlauf der Abtasttrajektorie angepasst.

Weitere Beispiele zur Ausbildung von asymmetrischen Modifikationen sind in der Patentanmeldung DE 10 2019 128 362.0 der Anmelderin mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 beschrieben.

Fig. 11 verdeutlicht als Beispiel für ein weiteres Trennverfahren 401 ein Herauslösen eines Wandabschnitts mithilfe eines Nass-Ätzvorgangs am Beispiel des Glasrohrs 51 A der Fig. 9A. Nachdem eine Innenkontur in das Glasrohr 201 eingeschrieben wurde (Schritt 403) - siehe auch Fig. 10A, wird das Glasrohr 201 in einem Ätzsystem 421 weiter behandelt (Schritt 405).

Das Ätzsystem 421 umfasst ein nass-chemisches Ätzbad 423, das dazu eingerichtet ist, das laserbearbeitete Werkstück in einer Ätzlösung 423 A aufzunehmen. Die Ätzlösung 423 A bewirkt ein Ätzen von modifiziertem Material, das im Bereich der Modifikationen 309 und der Risse 313 vorliegt. Ferner umfasst das Ätzsystem 421 mindestens eine Ultraschall-Quelle 425 zum Ausgeben von Ultraschallwellen 427 in ein Ultraschallbad 429, das z.B. mit Wasser 429 A gefüllt ist. In Fig. 1 befindet sich das Ätzbad 423 im Ultraschallbad 429, sodass sich die Ultraschallwellen 427 auch in das nass-chemische Ätzbad 421 hinein ausbreiten können und so den Nass-Ätzvorgang unterstützen.

Wird das Material des Glasrohrs 51 A entlang der Innenkontur geätzt, lässt sich der eingeschlossene Wandabschnitt herauslösen, sodass man das Glasrohr 51 A erhält. Hinsichtlich weiterer Details zu einem Nass-Ätzverfahren wird auf die DE 10 2020 108 247.9 der Anmelderin mit Anmeldetag 25. März 2019 verwiesen. Fig. 12 fasst die hierin beschriebenen Konzepte der Materialbearbeitung in einem Flussdiagramm zusammen. Die Materialbearbeitung umfasst einen Schritt 503 einer laserbasierten Materialbearbeitung und einen nachfolgenden Schritt 505, in dem basierend auf der Materialbearbeitung die Trennung des Werkstücks in zwei Teile bzw. das Herauslösen eines Werkstückabschnitts vollzogen wird.

Insbesondere wenn davon auszugehen ist, dass geometrische Variationen von Werkstück zu Werkstück vorliegen, kann optional vorab der Laserbearbeitung des Werkstücks die tatsächlich vorliegende Geometrie (Ist-Form) des Werkstücks vermessen werden (Schritt 501). Gewonnene Geometriedaten des Werkstücks können in einem Datenspeicher einer Steuerungseinheit der zu verwendenden Laserbearbeitungsanlage abgelegt werden.

Alternativ oder ergänzend kann die Vermessung des Werkstücks im Rahmen der Lasermaterialbearbeitung vorgenommen werden (Schritt 503 A); d. h, das Werkstück wird vermessen, wenn es bereits für die Lasermaterialbearbeitung von einer Werkstückhalterung gehalten wird. Die Vermessung des Werkstücks in gehaltenen Zustand kann neben der Vermessung der Ist- Form auch die Lage der Ist-Form zum Laserstrahl/Bearbeitungskopf in Propagationsrichtung des Laserstrahls bestimmen. Letzteres kann auch unabhängig durchgeführt werden, falls die Geometriedaten bereits vorliegen. Das Vermessen des Werkstücks im gehaltenen Zustand kann zusätzlich Aspekte der Halterungen umfassen, die beispielsweise zu einer Taumel-Bewegung bei einer Rotation des Werkstücks führen können.

Die Kenntnis der Lage der Ist-Form zum Laserstrahl/Bearbeitungskopf in Propagationsrichtung (insbesondere ein „Höhenprofil“ bei einer Vermessung entlang der Abtasttrajektorie) ist insbesondere für die Einstellung des nicht-beugenden Laserstrahls in z-Richtung bezüglich des Werkstücks wichtig, wenn Toleranzen von wenigen 100 pm bezüglich des Beginns des nicht-beugenden Strahls eingehalten werden müssen. Ein derartiges Höhenprofil kann zum hochpräzisen Nachführen einer Position einer Oberfläche des Werkstücks entlang der Propagationsrichtung verwendet werden.

Die Vermessung des in der Werkstückhalterung gehaltenen Werkstücks kann beispielsweise während eines Vorab- Abfahrens der Abtasttrajektorie ohne Laserstrahl durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Werkstück auch während der Lasermaterialbearbeitung, d.h., beim Abfahren der Abtasttrajektorie zum Einstrahlen des Laserstrahls, online vermessen werden.

Anhand der vermessenen Ist-Form des Werkstücks kann die der Bearbeitung zugrunde zu legenden Ausrichtung des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche geplant werden. Beispielsweise kann eine relative Translations- und Drehbewegung zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück in einem Bearbeitungsprogramm für die jeweiligen Geometriedaten des Werkstücks definiert werden, gemäß der die Abtasttrajektorie gemäß den hierin vorgestellten Konzepten abgefahren werden kann.

Für die Laserbearbeitung wird dann die definierte relative Translations- und Drehbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl vorgenommen (Schritt 503B). Ferner wird die erforderliche Lage des Werkstücks in Propagationsrichtung des Laserstrahls im Rahmen eines Regelkreises eingestellt (Schritt 503C), sodass die Modifikationen entlang der Abtasttrajektorie in das Material des Werkstücks eingeschrieben werden können.

Werden für komplexere Abtasttrajektorien, insbesondere für geschlossene Innenkonturen, asymmetrische Modifikationen eingeschrieben, kann ferner eine Hauptachse beispielsweise von elliptischen (transversalen) Intensitätsverteilungen während des Abfahrens der Abtasttrajektorie derart mitgedreht werden (Schritt 503D), dass die Hauptachse entsprechend dem Verlauf der Abtasttrajektorie ausgerichtet ist. Beispielsweise kann die in Fig. 10B gezeigte Polarisationsanordnung 109 rotiert werden.

Im Schritt 505 des Trennverfahren sind beispielhaft die Schritte 207A, 207B und 207C der Figuren 7 oder 8 für ein thermisches Trennverfahren sowie der Schritt 405 für das Nass-Ätzverfahren der Fig. 11 angedeutet.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

46 Patentansprüche

1. Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks (9), das aus einem transparenten Material besteht und eine gekrümmte Oberfläche (9A) aufweist, durch Ausbilden einer Modifikationsfläche, mit:

Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls (3) mit einer entlang einer optischen Achse (5) des Laserstrahls (3) langgezogene Fokuszone (107) in das Werkstück (9),

Bewegen eines Auftreffpunkts (P) des gepulsten Laserstrahls (3) auf der gekrümmten Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang einer Abtasttrajektorie (21), und

Ausrichten der durch den Auftreffpunkt (P) verlaufenden optischen Achse (5) des gepulsten Laserstrahls (3) zu einer durch den Auftreffpunkt (P) verlaufenden Tangentialebene (T) an das Werkstück (9) in einem Winkelbereich von 90° ± 10°.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten umfasst:

Durchführen einer Rotationsbewegung des Werkstücks (9) oder der optischen Achse (5) um eine Rotationsachse (R) und

Verschieben der Rotationsachse (R) bezüglich der optischen Achse (5).

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verschieben der Rotationsachse (R) bezüglich der optischen Achse (5) umfasst:

Verschieben der Rotationsachse (R) in Richtung der optischen Achse (5) und/oder

Verändern des Abstands der Rotationsachse (R) von der optischen Achse (5), wobei der Abstand insbesondere in einer Ebene verändert wird, die die optische Achse (5) umfasst und sich senkrecht zur Rotationsachse (R) erstreckt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ausrichten zeitlich so ausgeführt wird, dass die Ausrichtung jeweils zu einem Zeitpunkt einer Einstrahlung eines eine Modifikation (19) hervorrufenden Laserpulses des gepulsten Laserstrahls (3) vorliegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die optische Achse (5) des Laserstrahls (3) senkrecht zur Tangentialebene (T) ausgerichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit: 47

Einstellen von Parametern des gepulsten Laserstrahls (3) derart, dass durch nichtlineare Absorption eines Laserpulses des gepulsten Laserstrahls (3) eine in Richtung der optischen Achse (5) längliche Modifikation (19) im Material des Werkstücks (9) erzeugt wird, die sich über eine Eindringtiefe in das Material hinein ausbildet, und

Wählen der Abtasttrajektorie (21) und der Eindringtiefe derart, dass sich die Modifikationsfläche durch das gesamte Werkstück (9) erstreckt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Modifikationsfläche mindestens eine Modifikation (19) umfasst, deren Eindringtiefe mindestens 90% einer Dicke des Werkstücks (9) in Richtung der optischen Achse (5) beträgt, wobei sich die Modifikation (19) insbesondere vollständig durch das Werkstück (9) hindurch erstreckt, und/oder wobei die Modifikationsfläche mindestens zwei Modifikationen (19) umfasst, die in Richtung der jeweiligen optischen Achse (5) am Ende, und insbesondere im Abstand der Eindringtiefe von der gekrümmten Oberfläche (9A), überlappen oder aneinander heranragen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit

Einlesen von Geometriedaten eines Querschnitts des Werkstücks bezüglich einer vorgesehenen Rotationsachse in einen Mikroprozessor;

Berechnen von Steuerdaten im Mikroprozessor, die eine relative Rotations-Translationsbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Achse definieren, wobei während einer Durchführung der relativen Rotations-Translationsbewegung die optische Achse auf die Tangentialebene an einem Auftreffpunkt, der sich während der Bearbeitung entlang der Abtasttrajektorie bewegt, im Winkelbereich von 90° ± 10° trifft; und Ausgeben der Steuerdaten vom Mikroprozessor an ein Rotations-Translationssystem zum Veranlassen der relativen Rotations-Translationsbewegung für das Bewegen des Auftreffpunkts des gepulsten Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie bei gleichzeitigem Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit:

Vermessen der Form des Werkstücks im Bereich der Abtasttrajektorie zum Erzeugen der Geometriedaten des Werkstückstücks, und/oder

Vermessen eines Höhenprofils in Propagationsrichtung entlang der Abtasttrajektorie zum Nachführen einer Position einer Oberfläche des Werkstücks entlang der Propagationsrichtung und/oder 48

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die relative Rotations-Translationsbewegung

- eine Rotation des Werkstücks (9) oder eines die optische Achse (5) bestimmenden Laserbearbeitungskopfs (1B) um die vorgesehene Rotationsachse (R) und/oder

- eine Translation des Werkstücks (9) oder einer die optische Achse (5) bestimmenden Laserbearbeitungskopf (1B) umfasst, und wobei das Werkstück (9) eine Längsachse (13) aufweist und die Rotations-Translationsbewegung eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse (R) umfasst, wobei die Rotationsachse (R) parallel zur Längsachse (13) des Werkstücks (9) verläuft, und wobei das Werkstück (9) insbesondere als Rohr, Zylinder oder Abschnitt eines Rohrs oder Zylinders, wie ein Halbrohr oder Halbzylinder, ausgebildet ist, und wobei optional die gekrümmte Oberfläche (9A) insbesondere eine sich entlang der Abtast- trajektorie (21) ändernde Krümmung aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit:

Regeln der Position des Auftreffpunkts (P) auf der optischen Achse (5) zum Einstellen einer Eindringtiefe der Modifikation (19) in das Material des Werkstücks (9) und/oder

Vornehmen einer phasenkorrigierende Strahlformung, die einer Beeinflussung der Interferenz durch einen Eintritt des Laserstrahls (3) durch eine gekrümmte Oberfläche in das Werkstück (9) entgegenwirkt und optional Regeln der phasenkorrigierenden Strahlformung, insbesondere der Krümmung eines deformierbaren Spiegels oder der Phasenbeiträge eines diffraktiven optischen Strahlformungselements, in Abhängigkeit der am Auftreffpunkt vorliegenden Krümmung.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die durch den Auftreffpunkt (P) verlaufende optische Achse (5) des gepulsten Laserstrahls (3) zur Tangentialebene (T) in einem Winkelbereich ausgerichtet wird,

- der in einem Bereich von 90° ± 10°, insbesondere von 90° ± 5°, bei einer Wandstärken eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks (9) im Bereich von 1 mm und weniger liegt und - der in einem Bereich von 90° ± 5°, insbesondere 90° ± 3°, bei einer Wandstärke eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks (9), die größer als 1 mm ist, liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Bewegen des Auftreffpunkts (P) des gepulsten Laserstrahls (3) auf der gekrümmten Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang einer Abtasttrajektorie (21) mit einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der Fokuszone (7) bewirkt wird, bei der die Fokuszone (7) wiederholt entlang einer Abtasttrajektorie (T) im Material des Werkstücks (9) positioniert wird, sodass eine Mehrzahl von Modifikationen in das Material des Werkstücks (9) entlang der Abtasttrajektorie (T) eingeschrieben werden, wobei insbesondere die Abtasttrajektorie (T) eine Außenkontur zum Unterteilen des Werkstücks (9) in zwei Teile entlang einer Längsachse des Werkstücks (9) oder eine auf eine Oberfläche des Werkstücks (9) geschlossene Innenkontur zum Auslösen eines durch die Innenkontur abgegrenzten Bereichs ist.

14. Laserbearbeitungsanlage (101) für ein Modifizieren eines Materials eines Werkstücks (9) mit einem gepulsten Laserstrahl (3), wobei das Werkstück (9) weitgehend für den Laserstrahl (3) transparent ist und eine gekrümmte Oberfläche (9A) aufweist, mit: einem Lasersystem (1) zur Abgabe des gepulsten Laserstrahls (3), wobei das Lasersystem (1) eine Strahljustagehalterung (IC) und einen Laserbearbeitungskopf (1B) mit einem optischen Strahlformungssystem (7A) umfasst, der Laserbearbeitungskopf (1B) an der Strahljustagehalterung (IC) befestigt ist und das optische Strahlformungssystem (7A) dazu eingerichtet ist, eine entlang einer optischen Achse (5) des Laserstrahls (3) langgezogene Fokuszone des gepulsten Laserstrahls (3) auszubilden, und einer Werkstückhalterung (15) zur Lagerung des Werkstücks (9), wobei die Strahljustagehalterung (IC) und/oder die Werkstückhalterung (15) ein Rotations- Translationssystem bilden, das dazu eingerichtet ist:

- eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der optischen Achse (5) durchzuführen, bei der ein durch die optische Achse (5) definierter Auftreffpunkt (P) des gepulsten Laserstrahls (3) auf die gekrümmte Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang einer Abtasttrajektorie (21) bewegt wird, und

- die optische Achse (5) des Laserstrahls (3) zu einer durch den Auftreffpunkt verlaufenden Tangentialebene (T) an das Werkstück (9) in einem Winkelbereich von 90° ± 10° auszurichten.

15. Laserbearbeitungsanlage (101) nach Anspruch 14, ferner mit: einer Steuerung (17) mit einem Mikroprozessor (17B), die dazu eingerichtet ist, Geometriedaten eines Querschnitts des Werkstücks (9) bezüglich einer vorgesehenen Rotationsachse (R) in den Mikroprozessor (17B) einzulesen, im Mikroprozessor (17B) Steuerdaten zu berechnen, die eine relative Rotations-Translationsbewegung zwischen dem Werkstück (9) und der optischen Achse (5) definieren, während der die optische Achse (5) auf die Tangentialebene (T) an dem Auftreffpunkt, der sich während der Bearbeitung entlang der Abtasttrajektorie bewegt, im Winkelbereich von 90° ± 10° trifft, und vom Mikroprozessor (17B) die Steuerdaten an das Rotations-Translationssystem auszugeben, um die relative Rotations-Translationsbewegung für das Bewegen des Auftreffpunkts (P) des gepulsten Laserstrahls (3) auf der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der Abtasttrajektorie (21) bei gleichzeitigem Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls (3) zu veranlassen, wobei das Rotations-Translationssystem durch die Strahljustagehalterung (IC) und/oder die Werkstückhalterung (15) bereitgestellt wird.

16. Laserbearbeitungsanlage (101) nach Anspruch 15, ferner mit: einem Abstandssensor (11), der dazu angeordnet und eingerichtet ist, eine Position des Auftreffpunkts (P) entlang der optischen Achse (5) zu bestimmen, und wobei die Steuerung (17) ferner dazu eingerichtet ist, eine Position der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) entlang der optischen Achse (5) mit dem Abstandssensor (11) zu überwachen, insbesondere Abstandssteuerdaten im Mikroprozessor (17B) zu berechnen und an das Rotations-Translationssystem zur Regelung des Auftreffpunkts (P) auf eine Soll-Position auszugeben.

17. Laserbearbeitungsanlage (101) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Steuerung (17) ferner dazu eingerichtet ist, die durch den Auftreffpunkt (P) verlaufende optische Achse (5) des gepulsten Laserstrahls (3) zur Tangentialebene (T) in einem Winkelbereich auszurichten,

- der im Bereich von 90° ± 10°, insbesondere im Bereich von 90° ± 5°, bei einer Wandstärken eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks (9) im Bereich von 1 mm und weniger liegt und

- der im Bereich von 90° ± 5°, insbesondere im Bereich von 90° ± 3°, bei einer Wandstärke eines, insbesondere als Rohr ausgebildeten, Werkstücks (9), die größer als 1 mm ist, liegt.

18. Laserbearbeitungsanlage (101) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das optische Strahlformungssystem (7A) dazu eingerichtet ist, ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse (5) des Laserstrahls für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse (5) im Werkstück (9) durch Interferenz zu bewirken, und ferner mit einer phasenkorrigierenden Optik, insbesondere eine Zylinderlinse, ein, optional deformierbarer, Spiegels oder ein diffraktives optisches Strahlformungselement, die dazu eingerich- tet ist, eine Phasenkorrektur, die einer Beeinflussung einer Interferenz durch einen Eintritt des

Laserstrahls durch eine gekrümmte Oberfläche in das Werkstück (9) entgegenwirkt, vorzunehmen, und wobei die Steuerung (17) ferner optional dazu eingerichtet ist, die Phasenkorrektur zu regeln, insbesondere eine Krümmung eines deformierbaren Spiegels oder Phasenbeiträge eines diffraktiven optischen Strahlformungselements, in Abhängigkeit der am Auftreffpunkt vorliegenden Krümmung einzustellen.