WO2023020916A1 - Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks - Google Patents

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laser
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Jonas Kleiner
Daniel FLAMM
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for processing a workpiece with a laser beam of a laser.
  • the development of lasers has led to a new way of processing materials.
  • the short pulse length and high pulse peak power or the high pulse energy can lead to non-linear absorption of the pulse energy in the material of a workpiece, so that materials that are actually transparent or essentially transparent for the laser light wavelength used can also be processed.
  • a special area of application for such laser radiation is the cutting and processing of workpieces.
  • a laser beam is preferably introduced into the material with perpendicular incidence, as a result of which material modifications are produced in the material, which damage the material in a targeted manner. This creates a kind of perforation along which the material can be separated.
  • Another area of application for such laser radiation is the joining of two joining partners, with the respective joining partners being exposed to a laser beam in order to generate a melt in the zone impacted by the laser beam through energy absorption, which after the melt has solidified forms a weld seam between the joining partners.
  • Joining using ultra-short laser pulses enables a stable connection of the joining partners without the use of additional material.
  • a device for processing a workpiece with a laser beam of a laser comprising a laser that is set up to emit a laser beam, a polarization switch that is set up to switch the polarization of the laser beam between two polarization states and/or the polarization of the To rotate the laser beam, a polarization splitter which is adapted to split the laser beam into two partial laser beams, the two partial laser beams being orthogonal to one another
  • first partial laser beam with the first polarization has a first offset after passing through the polarization splitter and the second partial laser beam of a second polarization has a second offset after passing through the polarization splitter, and processing optics which are set up to convert the first partial laser beam into introducing a first focus zone into the workpiece and the second partial laser beam into a second focus zone into the workpiece in order to process the workpiece.
  • the polarization switch is arranged in front of the polarization splitter in the direction of beam propagation, the intensities of the two partial laser beams being alternately maximized by switching and/or rotating the polarization by the polarization switch.
  • a polarization switch makes it possible to modify the polarization of an incident laser beam provided by the laser.
  • a modification can consist in that a laser beam in an end polarization state is generated from a laser beam in an initial polarization state.
  • a laser beam in an s-polarization state whose polarization is perpendicular to the plane of incidence of the laser beam, can be generated from a laser beam in a p-polarization state, whose polarization is parallel to the plane of incidence.
  • the polarization of the laser beam is switched.
  • the laser beam then assumes only two polarization states over time, namely the initial polarization state and the final polarization state, ie, for example, an s-polarization state and a p-polarization state.
  • the polarization of the laser beam is also switched to intermediate polarization states lying between the initial polarization state and the final polarization state.
  • the laser beam can be switched between an s-polarization state and a p-polarization state to an intermediate polarization state in which the polarization is at an angle other than 0° or 90°, for example 30° or 45° or 60° to the plane of incidence.
  • an initial polarization state can consist of a polarization state of a first handedness, for example left-handedness
  • the end polarization state can consist of a polarization state of a second handedness, for example right-handedness
  • the intermediate polarization state can be, for example, a linear polarization state or an elliptical polarization state.
  • a polarization splitter makes it possible to split an incident laser beam into linear basic polarization states and to spatially separate the respective basic polarization states in the form of partial laser beams.
  • the polarization of the incident laser beam is projected onto the basic polarization states of the polarization splitter.
  • Such polarization splitters are typically based on birefringence of the laser beam in the polarization splitter.
  • Birefringence is the ability of an optical material to separate the incident laser beam into two partial laser beams that are polarized perpendicularly to one another. This occurs due to different refractive indices of the optical material depending on the polarization and the angle of incidence of the light relative to the optical axis of the optical material. Therefore, the separation of the arbitrarily polarized laser beam into the basic polarization states of the polarization splitter occurs due to the shape and form of the optical axis of the optical material of the polarization splitter.
  • partial laser beams polarized perpendicularly to one another are understood to mean linearly polarized partial laser beams whose directions of polarization are aligned at an angle of 90° to one another.
  • partial laser beams polarized perpendicularly to one another are also understood to mean circularly polarized partial laser beams with opposite directions of rotation, ie two partial laser beams circularly polarized to the left and right.
  • the conversion of linearly polarized partial laser beams with polarization directions aligned perpendicular to one another into circularly polarized partial laser beams with the opposite sense of rotation can take place, for example, with the aid of a suitably oriented retardation plate ( ⁇ /4 plate), see below.
  • the outgoing partial laser beams split by the polarization splitter according to basic polarization states can have an angular offset and/or a spatial offset in relation to one another. This can also be explained by the anisotropy of the refractive indices for different polarization directions of the optical material of the polarization splitter.
  • the partial laser beams can have an angular offset after passing through the polarization splitter. This means that the first partial laser beam with a first polarization does not run parallel to the second partial laser beam with a second polarization behind the polarization splitter.
  • the polarization splitter can have a beam exit surface which is inclined at an angle to the beam entry surface.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned parallel to the beam entry surface.
  • the two partial laser beams exit the beam exit surface at the same location and with a defined angular offset from the birefringent crystal.
  • the partial laser beams can have a spatial offset after passing through the polarization splitter. This means that the partial laser beam with the first polarization runs parallel to the partial laser beam with the second polarization behind the birefringent polarization element. However, both partial laser beams are shifted parallel to each other, so that there is a finite distance between the two partial laser beams.
  • the polarization splitter can have, for example, beam entrance and beam exit surfaces that are aligned parallel and are generally planar.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned at an angle to the beam entry surface. If the laser beam hits the beam entry surface perpendicularly, a pure spatial displacement is generated on the beam exit surface.
  • the distances between the individual partial laser beams with different polarization can be defined by the polarization splitter, for example during production or by orienting the optical axis of the crystal to the incident laser beam.
  • a polarization splitter cannot deflect a first partial laser beam and deflect a second partial laser beam. Accordingly, the first partial laser beam would continue to propagate on the optical axis, but not the second partial laser beam. It is also possible that both partial laser beams are deflected in opposite directions. It is also possible that both partial laser beams are deflected in the same direction but to different extents.
  • the first offset (or the second offset) can also be zero and only the second offset (or the first offset) can assume a finite value, since this already enables splitting into partial laser beams.
  • the processing optics make it possible to convert the partial laser beams of different polarization provided by the polarization splitter into two different focal zones and to introduce them into the workpiece.
  • a first partial laser beam of a first polarization is introduced into the workpiece in a first focal zone and the second partial laser beam of a second polarization is introduced into the workpiece in the second focal zone in order to machine the workpiece.
  • the focal zones can be in the same focal plane or in different focal planes. This can mean that the first focal zone is in front of or behind the second focal zone in the beam propagation direction, for example.
  • the two focal zones can also lie in the same focal plane, but the focal zones in the focal plane are offset from one another. For example, one focal zone may be below the mating interface and the other focal zone may be above the mating interface.
  • Processing can consist, for example, in a workpiece being separated, or an edge being chamfered, or a predetermined breaking point being produced, or a particularly directed material stress being produced, and so on.
  • the workpiece comprises two joining partners that are to be joined to one another. Different variants of editing are discussed below.
  • the polarization switch is arranged in front of the polarization splitter in the beam propagation direction.
  • the polarization splitter performs a fixed splitting and/or deflection of the laser beam into its orthogonal base polarization components. That means the Size of the spatial splitting of the two partial laser beams is independent of the polarization of the incident laser beam.
  • this also means that the first partial laser beam is in a first basic polarization state of the polarization splitter and propagates through and out of the polarization splitter along a first path and the second partial laser beam is in a second basic polarization state and propagates through and out of the polarization splitter along a second path.
  • the polarization of the incident laser beam can be manipulated such that the polarization state of the incident laser beam corresponds to a base polarization state of the polarization splitter. Then - with a complete polarization of the incident laser beam - the entire laser energy of the laser beam is transported along the path of the partial laser beam of the selected base polarization state.
  • the polarization splitter can deflect a laser beam into a first partial laser beam in a first base polarization state and a second partial laser beam in a second base polarization state. If the laser beam is already completely in the first basic polarization state before the polarization splitter, the laser beam is deflected onto the path of the first partial laser beam. A splitting of the laser beam does not take place because of the complete polarization of the incident laser beam.
  • the laser beam When the laser beam is switched back and forth between the two basic polarization states with the polarization switch, the laser beam is alternately deflected onto the path of the first and the second partial laser beam. Accordingly, the laser energy is alternately introduced into the first focal zone or the second focal zone.
  • the laser beam is rotated back and forth between the two basic polarization states with the polarization switch, the laser beam is alternately deflected onto the path of the first and the second partial laser beam, but the laser beam is also split at each intermediate polarization state of the laser beam. Accordingly, the laser power is first introduced into a first focal zone, then partly introduced into the first and partly introduced into the second focal zone and finally introduced into the second focal zone.
  • the proportions of the laser energy (or intensity) introduced into the first and second focus zones depend on the projection of the polarization of the incident laser beam onto the basic polarization states of the polarization splitter. In particular, the selection of the polarization state by the polarization switch alternately maximizes the intensity of the two partial beams or maximizes the energy introduced into the two different focal zones.
  • the alternating introduction of the laser energy into the focal zones can mean a behavior that is periodic at least in sections over the course of time. This makes it possible, in particular, to imitate a wobble movement of the laser beams.
  • the wobble amplitude is defined by the spatial distance between the focal zones.
  • the wobble frequency i.e. the temporal repetition rate of the alternating introduction of the laser energy into the focal zones, can be set using the polarization switch.
  • maximizing the intensity of the partial laser beams can mean that the workpiece can be processed with the device even when the laser light is not completely polarized. If, for example, the incident laser beam is only 80% polarized, then only 80% of the laser beam can be specifically split and/or deflected by the polarization splitter.
  • the device according to the invention has the advantage that the position of the laser beam is not changed by a movement of the processing optics, so that the device has a particularly high mechanical stability.
  • the change in position takes place at a different location than in the case of the processing optics, so that the processing optics can be produced in a particularly simple manner.
  • This enables the device to be constructed in a simple manner and to be implemented in a cost-effective manner, with high-performance elements also being able to be installed in a particularly simple manner.
  • processing optics with a large aperture and at high process speeds can be used.
  • the polarization splitter is preferably designed as a birefringent polarization splitter in the form of a birefringent crystal. This makes it possible to simplify beam guidance of the laser beam within the device and to reduce the effort required to adjust the laser beam in connection with the polarization splitter.
  • the wavelength of the laser beam can be between 200 nm and 2000 nm, preferably 257 nm or 343 nm or 515 nm or 1030 nm.
  • the device is therefore particularly well suited for processing a workpiece, regardless of the wavelength.
  • a suitable laser wavelength can be selected for the workpiece and the processing to be achieved, so that optimal processing is achieved can be.
  • the laser can be a continuous wave laser or a pulsed laser, in particular an ultra-short pulse laser, and/or a single-mode or multi-mode laser and/or be fiber-guided or free-space-guided.
  • a continuous wave laser provides a continuous laser beam such that laser energy is continuously transported along the laser beam.
  • the pulsed laser only provides laser energy during certain time intervals, the length of which is the so-called pulse length.
  • the energy transport through the laser pulses also takes place along the laser beam.
  • a pulsed laser can also be an ultra-short pulse laser, in which case the pulse duration of the laser pulses can be less than 10 ps, preferably less than 1 ps.
  • the laser can also provide bursts, with each burst comprising the transmission of a number of laser pulses. For a certain time interval, the emission of the laser pulses can follow one another very closely, at intervals of a few picoseconds up to hundreds of nanoseconds.
  • the bursts can in particular be so-called GHz bursts, in which the sequence of the successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
  • a sequence of individual pulses means that the laser emits several individual pulses one after the other.
  • a sequence of individual pulses therefore includes at least two individual pulses.
  • a sequence of bursts means that the laser emits several bursts one after the other.
  • a sequence of bursts therefore includes at least two bursts.
  • the bursts or individual pulses of the sequence can each be of the same type.
  • the bursts or individual pulses are identical if the laser pulses used have essentially the same properties, ie approximately the same pulse energy, the same pulse length and—in the case of bursts—also the same pulse spacing within the burst.
  • individual pulses and/or bursts can be introduced into the material and, for example, successively absorbed.
  • the spot size describes the ultra-short laser pulses and/or bursts are emitted into the material over a soft spatial area.
  • the size of the processing area is additionally determined by the beam geometry, in particular the size of the focal zone of the focused laser beam.
  • the beam geometry describes the spatial configuration of the laser beam and other beam properties such as certain diffraction properties of the laser beam, see below.
  • a large number of longitudinal modes can result in the laser beam due to the resonator length of the laser.
  • Such a laser is also called a multi-mode laser. If only a single mode is provided by the laser, this is referred to as a single-mode laser. Both single-mode and multi-mode lasers can be used in the present invention.
  • the laser beam is coupled into a fiber and thus guided to the place of use or to the optical elements of the device.
  • a fiber can be, for example, an optical fiber, a glass fiber or a hollow-core fiber.
  • the laser beam is guided via an optical lens and/or mirror system to the optical elements of the device or to the processing optics. While flexible laser guidance can easily be implemented in the first case, for example in curves or from room to room, in the second case the laser beam can be manipulated particularly easily since the laser beam is freely accessible.
  • the degree of polarization of the laser beam can be greater than 50% in front of the polarization switch.
  • the polarization switch can manipulate the polarization of the laser beam particularly well. If the laser beam were unpolarized, the polarization switch could not modify polarization. The higher the degree of polarization, the higher the contrast of the two partial laser beams in the two focal zones.
  • a polarization filter can be arranged in front of the polarization switch in order to polarize the laser beam or to increase the degree of polarization.
  • the laser can include the polarization switch.
  • the polarization switch can be a Pockels cell and/or a rotating ⁇ /4 plate and/or a rotating ⁇ /2 plate.
  • a Pockels cell is an optoelectronic device that can modify the polarization of a laser beam running through the Pockels cell by applying a control voltage.
  • it is possible to rotate the polarization of the laser beam and/or convert a linear (elliptical or circular) polarization into an elliptical or circular (linear) polarization. Accordingly, switching or rotation or modification of the polarization can be carried out in a particularly simple manner by means of the voltage control.
  • a sinusoidal voltage can be applied to the Pockels cell, so that the energy deposited in each focus zone, or the intensity of the two partial laser beams, is sinusoidally modulated.
  • the voltage it is also possible for the voltage to have a different curve shape, for example to be rectangular or sawtooth-shaped. As a result, the polarization can in particular be switched.
  • a Pockels cell makes it possible to dispense with moving parts in the device, so that particular mechanical stability can be achieved.
  • a rotating A/2 plate rotates the polarization of the laser beam around the optical axis of the built-in optical crystal in proportion to the rotation angle of the A/2 plate.
  • the A/2 plate can also be segmented, with a first segment having a first optical axis and a second segment having a second optical axis.
  • a jump in the polarization rotation of the laser beam can be generated.
  • switching of the polarization can also be achieved, in particular, with a rotating A/2 plate.
  • a rotating A/4 plate generates a left-hand or right-hand circularly polarized laser beam from an incident linearly polarized laser beam in a periodic manner corresponding to the rotation.
  • the circularly polarized laser beam can be converted back into a linearly polarized laser beam by a subsequent ⁇ /4 plate, with all linear polarization states being passed through as with the rotating ⁇ /2 plate.
  • An A/4 plate can be arranged in front of the polarization splitter in the beam propagation direction and can be set up to convert a circularly polarized laser beam into a linearly polarized laser beam.
  • circularly polarized light from the polarization switch can be converted into linearly polarized light in this way, so that a projection of the polarization state onto the base polarization states of the polarization splitter leads to a modulation of the intensity of the partial laser beams in the focal zones.
  • the two partial laser beams can be linearly polarized orthogonally to one another in the beam propagation direction behind the polarization splitter, preferably p- and s-polarized.
  • the mutually orthogonally linearly polarized partial laser beams can be converted into mutually orthogonally circularly polarized partial laser beams by means of an A/4 plate, which is arranged behind the polarization splitter in the direction of beam propagation.
  • a Pockels cell and an ⁇ /4 plate can be combined as the polarization switch.
  • the polarization of the laser beam can be switched by ⁇ /4 with the Pockels cell, for example, so that in combination with the ⁇ /4 plate, which can be arranged before or after the Pockels cell, a rotation of the polarization is achieved.
  • the direction of polarization can be determined overall, as well as the handedness of the polarization.
  • an ideal adjustment of the polarization to the processing of the workpiece is possible.
  • the processing optics can include a collimating lens and a focusing lens.
  • the collimation lens is set up to convert bundles of rays of non-parallel partial beams, in particular divergent partial beams, into parallel partial beams.
  • the partial laser beams of the polarization splitter can be parallelized with an angular offset by a collimation lens.
  • the focusing lens can convert the partial beams of a bundle of rays into a focal zone.
  • this makes it possible to convert two different bundles of rays, such as those of the partial laser beams that are provided by the polarization splitter, into two different focal zones. Only through the focusing and the consequent convergence of the bundles of rays of the partial laser beams in the respective focal zone is an intensity increase achieved in the focal zone, through which the workpiece can be processed.
  • the processing optics can include a beam-shaping element, preferably a diffractive optical element or a microlens array, which is set up to convert a first intensity distribution of the laser beam into a second intensity distribution of the laser beam.
  • a beam-shaping element preferably a diffractive optical element or a microlens array
  • a diffractive optical element is set up to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions.
  • a diffractive optical element is a fixed component that can be used, for example, to produce a specific non-diffracting laser beam from the incident laser beam.
  • a diffractive optical element can also be suitable for splitting an incident laser beam into several partial laser beams.
  • a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the incident laser beam is brought into the desired beam shape by the diffraction.
  • a microlens array is an arrangement of a large number of lenses, each of which produces its own image of the partial laser beams.
  • the two partial laser beams of the polarization splitter can be split into a large number of partial partial laser beams.
  • the beam-shaping element can be set up to impress a Gaussian beam profile or a non-diffracting beam profile or a flat-top beam profile on the laser beam.
  • Non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant.
  • a transverse intensity distribution is essentially constant along the beam propagation direction.
  • Non-diffracting laser beams therefore have the advantage that they can have a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation, which is significantly larger than that are transverse dimensions of the focal zone. For example, a material modification that is elongated in the beam propagation direction can be produced in this way.
  • the beam-shaping device may introduce focal zones of different depths in the beam propagation direction for the various partial laser beams.
  • a flat-top beam profile corresponds to a homogeneous and sharply defined beam cross-section, with the same high intensity being present everywhere in the homogeneous part of the beam cross-section, but the intensity falling quickly to an almost vanishing value across the sharp boundary.
  • a Gaussian beam profile has a Gaussian bell curve as the beam cross section.
  • the second intensity distribution by the beam-shaping element can be a multi-spot distribution, with each individual spot of the multi-spot distribution having a Gaussian beam profile or a non-diffracting beam profile or a flat-top beam profile.
  • the number of partial laser beams can be defined via the beam-shaping element. This results in what is known as a multi-spot distribution, which is made up of various individual spots.
  • the beam-shaping element can be used to determine whether the split partial laser beams lie on a one-dimensional line or on a two-dimensional grid.
  • the splitting can be effected independently of the polarization of the laser beam.
  • the polarization of the laser beam is retained as it passes through the beam-shaping element.
  • any positional deviations or angular offsets from the optical axis are taken into account when passing through the beam-shaping element, so that a splitting and deflection by the beam-shaping element is effected in addition to a previous splitting and deflection.
  • a first sub-laser beam may be a Gaussian laser beam
  • a second sub-laser beam may be a flat-top beam
  • a third sub-laser beam may be a non-diffractive beam.
  • all partial laser beams are Gaussian laser beams.
  • a two-dimensional multi-spot distribution consisting of, for example, 4 ⁇ 4 multi-spots to be generated by the beam-shaping optics.
  • the polarization of the adjacent multispots can be different.
  • the polarization is the same in rows or columns.
  • the workpiece can be separated by machining along a parting line.
  • Type I is an isotropic refractive index change
  • Type II is a birefringent refractive index change
  • Type III is a so-called void.
  • the material modification produced depends on laser parameters such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser, on the material properties such as the electronic structure and the thermal expansion coefficient, as well as on the numerical aperture (NA) of the imaging optics.
  • the isotropic type I refractive index changes are attributed to localized melting by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material of the workpiece.
  • the density and refractive index of the material is higher when the fused silica is rapidly cooled from a higher temperature. So if the material in the focus volume melts and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.
  • the type II birefringent refractive index changes can arise, for example, as a result of interference between the ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material when it solidifies.
  • a type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.
  • the voids (cavities) of the Type 111 modifications can be generated with a high laser pulse energy, for example.
  • the formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking. In particular, the formation of voids can also be associated with type I and type II modifications.
  • Type I and Type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses. Therefore, if a type III modification is introduced, then in any case a less dense or hollow core or a defect is present. For example, in a type III modification of sapphire, the microexplosion does not create a cavity, but rather an area of lower density. Due to the material stresses that occur in a type III modification, such a modification is often accompanied by cracking or at least promotes it. The formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. Finding "pure" Type III modifications is therefore not likely.
  • the device to process, in particular to cut, opaque materials such as metals or sheet metal.
  • material is vaporized and removed by the high-energy excitation of the material of the workpiece.
  • the typical spot size is between 50 pm and 500 pm, preferably 150 pm
  • the typical seam width is between 50 pm and 500 pm, preferably 200 pm.
  • the so-called wobble amplitude i.e. the spatial distance between the focal zones, which is generated by the polarization splitter and the processing optics, is between 100pm and 4000pm, typically 600pm.
  • the wobble frequency when cutting sheet metal is typically less than 5 kHz, preferably between 200 Hz and 2000 Hz.
  • the workpiece can include two parts to be joined, which are joined together by machining.
  • the joining partners can be arranged one on top of the other, so that the boundary surfaces of the joining partners, across which the joining partners are to be joined, point towards one another.
  • the abutting surface is the surface on which the joining partners are in contact.
  • the successive absorption of the laser beam preferably the ultra-short laser pulses, and thus heat accumulation takes place if the energy input of the laser beam is greater than the rate of heat removal through material-specific heat transport mechanisms, in particular through heat diffusion. Due to the increasing temperature in the material of at least the first joining partner, the Melting temperature of the material of the joining partners can be reached, which leads to a local melting of the material of the joining partners.
  • the joining area is therefore understood to be that area of the joining partner in which the material is melted.
  • the entirety of the locally melted material in the joining area can also be referred to as a melt bubble.
  • the resulting melt can bridge the common interface of the joining partners and permanently connect the joining partners to one another when cooling down.
  • the network structure of the joining partners can also change.
  • the joint seam is then referred to as the cooled melt which connects the joint partners to one another or results in the joint connection.
  • the typical seam width is between 10 pm and 500 pm, preferably 50 pm with a beam diameter of 2 pm.
  • the effective area of an individual spot compared to the beam diameter is significantly larger, since due to heat accumulation and heat transport, an area is melted that exceeds the spatial dimensions of the individual spot.
  • the wobble amplitude is between 1 pm and 1000 pm, typically 200 pm.
  • the wobble frequency when cutting sheet metal is typically less than 5 kHz, preferably between 200 Hz and 2000 Hz.
  • the device can have a feed device which is set up to move the workpiece and the laser beam relative to one another with a feed along a trajectory, with the feed preferably taking place perpendicularly or parallel to the splitting of the laser beam.
  • the trajectory describes the line of incidence of the laser beam when no splitting is produced by the polarization splitter or a beam-shaping element.
  • the wobble movement is superimposed on this trajectory, so that the material is processed around the trajectory.
  • the device can have a scanner unit which is set up to scan the partial laser beams over the workpiece, with the scanner unit preferably being a galvanic scanner.
  • the scanner unit preferably being a galvanic scanner.
  • a galvano scanner allows the laser field to be positioned precisely and quickly over the workpiece.
  • the polarization switch can be arranged before or after the fiber guide or free space guide and/or before or after the collimating lens and the polarization splitter can be arranged after the collimating optics and after the polarizing switch and before the focusing optics or before the collimating optics and after the polarizing switch .
  • the polarization switch can be arranged after the fiber guide or free space guide and after the collimating lens and the polarization splitter can be arranged after the collimating optics and before the focusing optics
  • the polarization switch can, for example, be arranged after the fiber guide or free space guide and before that of the collimating lens and the polarization splitter can be arranged after the collimating optics and before the focusing optics.
  • the polarization switch can be arranged, for example, in front of the fiber guide or free-space guide and thus in front of the collimating lens, and the polarization splitter can be arranged after the collimating optics and before the focusing optics.
  • the polarization splitter can also be arranged before the collimation optics and after the polarization switch.
  • a polarization splitter that generates an angular offset of the partial laser beams is preferably arranged in front of the collimating optics, while a polarization splitter that only generates an offset in the partial laser beams can be arranged behind the collimating optics and in front of the focusing optics.
  • a method for processing a workpiece with a laser beam of a laser wherein a laser beam is provided by a laser, the polarization of the laser beam is switched and/or rotated between two polarization states by a polarization switch, the laser beam is split into two partial laser beams by a polarization splitter is, wherein the two partial laser beams mutually orthogonal polarizations and wherein the first partial laser beam with the first polarization has a first offset after passing through the polarization splitter and the second partial laser beam of a second polarization has a second offset after passing through the polarization splitter, and the two partial laser beams are introduced into the workpiece by processing optics in two focal zones be, whereby the workpiece is machined.
  • the intensities of the two partial laser beams are alternately maximized by switching and/or rotating the polarization by the polarization switch.
  • Figure 1 is a schematic representation of the proposed device
  • FIG. 2A, B, C, D shows a schematic representation of a polarization splitter and the interaction with a polarization switch
  • Figure 3A, B is a schematic representation of the polarization-based
  • FIG. 4A, B, C, D, E further schematic representations of the devices
  • Figure 5A, B, C is a schematic representation of a beam shaping element
  • FIG. 6A, B shows a further schematic representation of the device
  • FIG. 7 shows a further schematic representation of the device and the method.
  • FIG. 8 shows a further schematic representation of the device and the method.
  • FIG. 1 A proposed device 1 is shown schematically in FIG.
  • the device 1 has a laser 3 which makes a laser beam 30 available.
  • the laser beam 30 is guided through a fiber guide 16 to the processing optics 8 which comprises a collimating lens 81 and a focusing lens 82 .
  • the processing optics 8 also includes a polarization switch 4 which is suitable for switching and/or rotating the polarization of the laser beam 30 .
  • the laser beam 30 with the polarization defined by the polarization switch 4 is then directed to a polarization splitter 5, the laser beam 30 being broken down into the basic polarization states of the polarization splitter 5 and split up.
  • the polarization splitter 5 generates a first partial laser beam 301, which is polarized according to a first basic polarization state, and a second partial laser beam 302, which is polarized according to a second basic polarization state.
  • the first partial laser beam 301 is then introduced into a first focal zone 801 in the workpiece 10 through the focusing lens 82 and the second partial laser beam 302 is introduced through the focusing lens into the second focal zone 802 in the workpiece 10 .
  • the workpiece 10 is processed by the energy of the partial laser beams 301 , 302 deposited there.
  • the polarization splitters 5 are birefringent polarization splitters 5 and can be provided, for example, in the form of a birefringent crystal.
  • Different birefringent materials can be used as the crystal material for the polarization splitter 5, e.g. alpha-BBO (alpha-barium borate), YVO4 (yttrium vanadate), crystalline quartz, etc.
  • the polarization splitter 5 in Figure 2A is wedge-shaped, i.e. a plane beam entry surface 52 for the entry of an entering laser beam 30 and a plane beam exit surface 54 of the polarization splitter 5 are aligned at a (wedge) angle to one another.
  • the or an optical axis 56 of the crystal material is aligned parallel to the beam entry surface 52 .
  • the laser beam 30 entering the polarization splitter 5 perpendicular to the beam entry surface 52 is split at the beam exit surface 54, which is inclined at an angle to the beam entry surface 52, into two partial laser beams 301, 302, which are polarized perpendicularly to one another, for example s- or p-polarized.
  • the s-polarized partial laser beam 302 is identified by a dot
  • the second, p-polarized partial laser beam 301 is identified by a double arrow.
  • the first, p-polarized sub-laser beam 301 is at the exit from the polarization splitter 5 is refracted less than the second, s-polarized partial laser beam 302, so that an angular offset a between the first and the second partial laser beam 300 occurs.
  • the first and second partial laser beams 300 emerge from the polarization splitter 5 at the same point on the beam exit surface 54, which means that although an angular offset a is generated, there is no spatial offset between the two partial laser beams 300.
  • the beam entry surface 52 and the beam exit surface 54 are aligned parallel to one another and the optical axis 56 of the crystal material is aligned at an angle of 45° to the beam entry surface 52 .
  • the laser beam 30 striking perpendicularly to the beam entry surface 52 is divided at the beam entry surface 52 into a first, ordinary partial laser beam 301 and a second, extraordinary partial laser beam 302 .
  • the two partial laser beams 301, 302 exit parallel at the beam exit surface 54, that is to say without an angular offset, but with a spatial offset Ax.
  • the two polarization splitters 5 shown in Figures 2A, B therefore differ fundamentally in that the polarization splitter 5 shown in Figure 2A generates an angular offset a (without spatial offset) and that the polarization splitter 5 shown in Figure 2B generates a spatial offset Ax (without angular offset).
  • FIGS. 2C, D the mode of interaction with an upstream polarization switch 4 is shown, it being assumed that the laser beam 30 which impinges on the polarization switch is or has already been linearly polarized.
  • the polarization switch 4 applies a defined polarization to the laser beam 30 . If the polarization of the laser beam 30 corresponds to one of the basic polarization states of the polarization splitter 5, the entire energy of the laser beam 30 is directed via the path of the respective partial laser beam 301, 302 into the corresponding focal zone 801, 802.
  • FIG. 2C shows that the polarization switch 4 converts the laser beam 30 into an s-polarization state.
  • the s-polarization state is one of the basic polarization states of the polarization splitter 5. Accordingly, the laser beam 30 is deflected onto the path of the partial laser beam 302.
  • FIG. in particular, the s-polarized laser beam 30 does not contain any p-polarized beam parts, so that there is no splitting into two partial laser beams 301 , 302 , but only one laser beam 30 (called partial laser beam 302 ) exits the polarization splitter 5 .
  • the same polarization splitter 5 is shown in FIG. 2D when a p-polarized laser beam 30 is provided by the polarization switch 4 . Also the p-polarization state is on Basic polarization state of the polarization splitter 5, so that the energy transport via the path of the partial laser beam 301 is realized. In this case, the laser beam 30 is deflected by an angle ⁇ with respect to the optical axis of the device 58 .
  • FIGS. 2A, B it is also already known from FIGS. 2A, B that a laser beam with a polarization state that is not a base polarization state is split into the two base polarization states and the energy of the laser beam 30 is divided between the two partial laser beams 301, 302.
  • FIG. 3A A corresponding time course of such a polarization change is shown in Figure 3A, as well as the associated intensity of the laser beam 30 or the partial laser beams 301, 302 in the focal zones 801 and 802.
  • the laser beam 30 can have a polarization of 0° due to a polarization switch, so that the entire laser beam 30 is directed into the focal zone 801 along the path of the partial laser beam 301 .
  • the laser beam 30 is split by the polarization splitter 5 into the corresponding base polarization states and partial laser beams 301 and 302 .
  • the intensity in the focus zone 801 is therefore significantly greater than the intensity in the focus zone 802.
  • the intensity in both focus zones 801 and 802 is the same.
  • the intensity in the focal zone 802 is greater than in the focal zone 801.
  • the polarization of the laser beam 30 again coincides with a basic polarization state of the polarization splitter 5, so that the entire energy of the laser beam 30 is transported into the focal zone 802 of the second partial laser beam 302.
  • a variation in the polarization has caused a change in the point of impact of the laser beam 30 in the workpiece 10 over the course of time.
  • a wobble movement of the laser beam 30 can therefore be imitated by a periodic change in polarization of the laser beam 30 .
  • FIG. 3B A further illustration of the wobble movement is shown in FIG. 3B.
  • a Gaussian laser beam 30 was simulated, the polarization of which is sinusoidally modulated and thus a splitting along the x-axis takes place and a feed along the y-axis takes place at the same time.
  • the mean laser intensity is shown.
  • a low intensity is shown in black and a high intensity is shown in white. It can be clearly seen that the laser intensity introduced into the workpiece 10 alternates between the focal zones 801, 802, so that the laser beam 30 executes a wobbling movement on the workpiece 10, which is additionally illustrated by the white dashed line .
  • a polarization switch 4 can be a rotating ⁇ /4 plate or an ⁇ /2 plate or a voltage-controlled Pockels cell.
  • the rotating wave plates can be used to rotate the polarization of the laser beam in a particularly simple manner, while the Pockels cell can be used to switch the polarization in a particularly simple manner.
  • a first segment of the waveplate can have a birefringent crystal with a first optical axis and a second segment can have a birefringent crystal with a second optical axis.
  • a rotating segmented waveplate when the laser beam passes through the first crystal, the polarization undergoes a first rotation, while the laser beam 30 when passing through the second crystal undergoes a second polarization rotation.
  • the rotation of the wave plate can also switch the polarization of the laser beam 30 in this way.
  • the laser beam 30 of the laser 3 is guided through the polarization switch 4 before it is introduced into the workpiece 10 through a fiber guide 16 and a downstream polarization splitter 5 through the processing optics 81, 82.
  • the laser beam 30 of the laser is guided through the polarization switch 4 before it is collimated by a fiber guide 16 through the collimating lens 81 of the processing optics 8 .
  • the polarization splitter 5 is arranged between the collimating lens 81 and the focusing lens 82, The focusing lens 82 brings the partial laser beams 301 and 302 into the focus zones 801 , 802 in the workpiece 10 after the polarization splitter 5 .
  • the laser beam 30 of the laser is guided to the polarization switch 4 through a fiber guide 16 .
  • the laser beam 30 is then collimated by the collimation lens 81 of the processing optics 8 and sent through the polarization splitter 5, which splits the laser beam 30 into two partial laser beams 301, 302.
  • the partial laser beams 301 , 302 are finally introduced into the workpiece in the focus zones 801 , 802 through the focusing lens 82 .
  • FIG. 4E the laser beam 30 of the laser 3 is circularly polarized.
  • the circular polarization can be converted into a linear polarization by an ⁇ /4 plate 40 .
  • FIG. 4E on the other hand, the laser beam 30 of the laser 3 already has a linear polarization. It is shown in both FIGS. 4D and 4E that the linear basic polarization states of the polarization splitter 5 can be converted into circular polarizations with a subsequent ⁇ /4 plate 50 .
  • FIG. 5A shows the mode of operation of a beam shaping optics 6 .
  • a beam shaping optics 6 is arranged behind the polarization splitter 5 .
  • the beam-shaping optics 6 can split the two partial laser beams 301, 302 into a large number of partial partial laser beams 3000, so that the laser energy can be introduced into a large number of focal zones in the workpiece.
  • the intensity of the partial partial laser beams 3000, which originate from a partial laser beam 301, 032 of a specific basic polarization, can be modified by means of an upstream polarization switch 4. This is shown in Figure 5B.
  • FIG. 5B the intensity of the individual partial laser beams 3000 is modified by the polarization switch 4, analogously to FIG. 3A.
  • a wobble movement can thus also be implemented with a large number of partial partial laser beams 3000 .
  • FIG. 5C this is shown for the multi-spot profile in FIG. 5C.
  • FIG. 6A shows a feed device 12 which is set up to move the processing optics 8 and the workpiece 10 in a translatory manner along three spatial axes XYZ.
  • the laser beam 30 of the laser 3 is directed onto the workpiece 10 by deflection optics.
  • the workpiece 10 is arranged on a support surface of the feed device 12 , the support surface preferably neither reflecting nor absorbing the laser energy, which the workpiece does not absorb, nor strongly scattering it back into the workpiece 10 .
  • the laser beam 30 can be coupled into the processing optics 8 by a free beam guide 18 .
  • the free beam guide 18 can be a free space section with a lens and mirror system, as shown in FIG. 6A.
  • the beam can also be guided via a fiber guide 16, in particular via a hollow-core fiber with coupling and decoupling optics, as shown in FIG. 6B.
  • the laser beam 30 is guided by a mirror construction in the direction of the workpiece 10 and introduced into the workpiece 10 by the processing optics 8, as a result of which the workpiece 10 is processed.
  • the processing optics 8 can be moved and adjusted relative to the workpiece 10 with the feed device 12 .
  • the feed device 12 can move the workpiece 10 under the laser beam 30 with a feed V, so that the laser beam 30 processes the workpiece 10 along the desired trajectory.
  • the feed device 6 comprises a first axis system 120, with which the workpiece 10 can be moved along the XYZ axes and, if necessary, rotated.
  • the feed device 12 can also have a workpiece holder 122 which is set up to hold the workpiece 10 .
  • FIG. 10 A further device according to the invention, which is suitable for joining two joining partners of the workpiece 10, is shown schematically in FIG.
  • the joining partners 101 , 102 are arranged one on top of the other at a common interface 103 .
  • a laser 3 provides ultra-short laser pulses, for example. These can be introduced into the joining partners 101, 102 in the form of a sequence of individual pulses or in the form of a sequence of bursts.
  • the average power of the laser spot can be between 0.1 W and 50 W.
  • the laser pulses of a burst can each have a time interval of at most 1 ps, preferably between 0.05 ns and 1000 ns, particularly preferably between 20 ns and 80 ns, with a burst comprising between 2 and 64 burst pulses, preferably between 2 and 16 burst pulses.
  • the repetition frequency of the individual laser pulses and/or the bursts can be between 0.5 kHz and 10 MHz, preferably between 1 kHz and 4 MHz.
  • the laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm, preferably 1000 nm, and/or the pulse duration of the laser pulses can be between 10 fs and 50 ps
  • the laser 3 contains the polarization switch and the processing optics 8 includes the polarization splitter 5.
  • the processing optics 8 focuses the generated Partial laser beams 301, 302 such that the focal zones 801, 802 approximately coincide with the common interface 103 of the two joining partners 101, 101.
  • the first joining partner 101 in the direction of beam propagation must be transparent for the wavelength of the laser 3 .
  • the first joining partner 101 can be a glass or a crystal or a ceramic or a plastic.
  • the second joining partner 102 can be opaque or transparent.
  • the second joining partner 102 can be a metal or a semiconductor or a plastic or a ceramic.
  • successive laser pulses are absorbed in the focal zones 801, 802 in such a way that the material of the joining partners 101, 102 melts and connects across the boundary surface 103 to the other joining partner 102, 101 in each case.
  • a permanent connection is created between the two parts to be joined 101, 102.
  • the two parts to be joined 101, 102 are joined to one another in this area by welding.
  • This area in which the melting and joining of the materials and the subsequent cooling of the melt takes place and in which the actual joining takes place, is also referred to as the joint.
  • the cooled melt and material connection of the joining partners 101, 102 forms a weld seam.
  • the laser beam and the joining partners can be moved and/or positioned relative to one another with a feed rate V between 0.01 mm/s and 1000 mm/s, preferably between 0.1 mm/s and 300 mm/s.
  • the joining partners can be positioned, for example, on a feed device 12, as already shown above. It can thereby be achieved that the partial laser beams 301, 302 are moved along a joint seam over the joint partners 101, 102, so that the joint partners 101, 102 can be joined along the joint seam.
  • a melting zone is produced to a certain extent periodically to the left and right of the joining trajectory 14 .
  • the melting zones it is also possible for the melting zones to be produced above and below the trajectory 14, ie a first melting zone is produced in the first joining partner and a second melting zone is produced in the second joining partner.
  • FIG. 8 schematically shows a further device according to the invention, which is suitable for cutting a workpiece 10, in particular for cutting sheet metal.
  • the partial laser beams 301, 302 are introduced along a trajectory 14 along which the material is to be separated.
  • the focal zones 801, 802 can lie on the trajectory, so that a higher cutting speed or higher process speed can be achieved with a simultaneous increase in the cutting quality.
  • the focal zones 801, 802 it is also possible for the focal zones 801, 802 to be introduced in a manner analogous to FIG. 7 next to the actual trajectory.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (10) mit einem Laserstrahl (30) eines Lasers (3), umfassend einen Laser (3), der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (30) abzugeben, einen Polarisationsschalter (4), der dazu eingerichtet ist die Polarisation des Laserstrahls (30) zwischen zwei Polarisationszuständen zu schalten und/oder die Polarisation des Laserstrahls (30) zu drehen, einen Polarisationsaufspalter (5), der dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) in zwei Teillaserstrahlen (300) aufzuspalten, wobei die zwei Teillaserstrahlen (300) zueinander orthogonale Polarisationen aufweisen und wobei der erste Teillaserstrahl (301) mit der ersten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen ersten Versatz aufweist und der zweite Teillaserstrahl (302) einer zweiten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen zweien Versatz aufweist, und eine Bearbeitungsoptik (8), die dazu eingerichtet ist, den ersten Teillaserstrahl (301) in eine erste Fokuszone (801) in das Werkstück (10) und den zweiten Teillaserstrahl (302) in eine zweite Fokuszone (802) in das Werkstück (10) einzubringen, um das Werkstück (10) zu bearbeiten, wobei der Polarisationsschalter (4) in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Polarisationsaufspalter (5) angeordnet ist, wobei das Schalten und/oder Drehen der Polarisation durch den Polarisationsschalter (4) abwechselnd die Intensitäten der zwei Teillaserstrahlen (300) maximiert.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eines Lasers.
Stand der Technik
In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Lasern zu einer neuen Art der Materialbearbeitung geführt. Insbesondere bei Ultrakurzpulslasern kann die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung beziehungsweise die hohe Pulsenergie zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material eines Werkstücks führen, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge eigentlich transparente beziehungsweise im Wesentlichen transparente Materialien bearbeitet werden können.
Ein besonderer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Trennen und Bearbeiten von Werkstücken. Hierbei wird bevorzugt ein Laserstrahl unter senkrechtem Einfall in das Material eingebracht, wodurch Materialmodifikationen in dem Material erzeugt werden, die das Material gezielt schädigen. Dadurch wird gewissermaßen eine Perforation erzeugt, entlang der das Material getrennt werden kann.
Ein weiterer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Fügen zweier Fügepartner, wobei die jeweiligen Fügepartner mit einem Laserstrahl beaufschlagt werden, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet. Das Fügen mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht dabei eine stabile Verbindung der Fügepartner ohne zusätzlichen Materialeinsatz.
Sowohl beim Fügen als auch beim Trennen ist das sogenannte Wobbeln, eine periodische Bewegung des Laserstrahls um eine Füge- oder Trennlinie, bekannt. Hierdurch werden besonders qualitativ hochwertige Kanten beim Trennen oder Fügenähte beim Fügen erzeugt.
Bisher muss für eine solche Wobbel-Bewegung die Bearbeitungsoptik oder ein Teil der Bearbeitungsoptik periodisch bewegt werden, was in einem komplizierten Aufbau der Bearbeitungsoptik und einer aufwändigen Justage der Bearbeitungsoptik resultiert. Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eines Lasers vorgeschlagen, umfassend einen Laser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl abzugeben, einen Polarisationsschalter, der dazu eingerichtet ist die Polarisation des Laserstrahls zwischen zwei Polarisationszuständen zu schalten und/oder die Polarisation des Laserstrahls zu drehen, einen Polarisationsaufspalter, der dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in zwei Teillaserstrahlen aufzuspalten, wobei die zwei Teillaserstrahlen zueinander orthogonale
Polarisationen aufweisen und wobei der erste Teillaserstrahl mit der ersten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen ersten Versatz aufweist und der zweite Teillaserstrahl einer zweiten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen zweien Versatz aufweist, und eine Bearbeitungsoptik, die dazu eingerichtet ist, den ersten Teillaserstrahl in eine erste Fokuszone in das Werkstück und den zweiten Teillaserstrahl in eine zweite Fokuszone in das Werkstück einzubringen, um das Werkstück zu bearbeiten.
Erfindungsgemäß wird der Polarisationsschalter in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Polarisationsaufspalter angeordnet, wobei durch das Schalten und/oder Drehen der Polarisation durch den Polarisationsschalter abwechselnd die Intensitäten der zwei Teillaserstrahlen maximiert wird.
Ein Polarisationsschalter ermöglicht es die Polarisation eines vom Laser bereitgestellten einfallenden Laserstrahls zu modifizieren. Eine Modifikation kann darin bestehen, dass aus einem Laserstrahl in einem Anfangspolarisationszustand ein Laserstrahl in einem Endpolarisationszustand erzeugt wird. Beispielsweise kann aus einem Laserstrahl in einem s-Polarisationszustand, dessen Polarisation senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls steht, ein Laserstrahl in einem p- Polarisationszustand erzeugt werden, dessen Polarisation parallel zur Einfallsebene steht.
Dies kann dadurch geschehen, dass die Polarisation des Laserstrahls aus dem Anfangspolarisationszustand kontinuierlich heraus in den Endpolarisationszustand hineingedreht wird, so dass ein Laserstrahl in einem Endpolarisationszustand erzeugt wird. Im Zeitverlauf nimmt daher der Laserstrahl alle Polarisationszustände zwischen dem Anfangspolarisationszustand und dem Endpolarisationszustand ein.
Es kann aber auch sein, dass die Polarisation des Laserstrahls geschaltet wird. Dann nimmt der Laserstrahl im Zeitverlauf lediglich zwei Polarisationszustände ein, nämlich den Anfangspolarisationszustand und den Endpolarisationszustand, also beispielsweise einen s- Polarisationszustand und einen p-Polarisationszustand.
Es kann aber auch sein, dass die Polarisation des Laserstrahls auch auf zwischen dem Anfangspolarisationszustand und dem Endpolarisationszustand liegende Zwischenpolarisationszustände geschaltet wird. Beispielsweise kann der Laserstrahl zwischen einem s-Polarisationszustand und einem p-Polarisationszustand auch auf einen Zwischenpolarisationszustand geschaltet werden, bei dem die Polarisation unter einem Winkel ungleich 0° oder 90°, beispielsweise 30° oder 45° oder 60° zur Einfallsebene steht.
Obige Beschreibung des Polarisationsschalters gilt analog für zirkular oder elliptisch polarisierte Laserstrahlen. Hierbei kann ein Anfangspolarisationszustand aus einem Polarisationszustand einer ersten Händigkeit, beispielsweise Linkshändigkeit, bestehen und der Endpolarisationszustand kann aus einem Polarisationszustand einer zweiten Händigkeit bestehen kann, beispielsweise Rechtshändigkeit. Der Zwischenpolarisationszustand kann hierbei beispielsweise linearer Polarisationszustand oder ein elliptischer Polarisationszustand sein.
Ein Polarisationsaufspalter ermöglicht es, einen einfallenden Laserstrahl in lineare Basispolarisationszustände zu zerlegen und die jeweiligen Basispolarisationszustände in Form von Teillaserstrahlen räumlich zu separieren. Hierbei wird die Polarisation des einfallenden Laserstrahls auf die Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters projiziert. Solche Polarisationsaufspalter beruhen typischerweise auf einer Doppelbrechung des Laserstrahls im Polarisationsaufspalter.
Unter Doppelbrechung wird die Fähigkeit eines optischen Materials verstanden, den einfallenden Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen zu trennen. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes des optischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur optischen Achse des optischen Materials. Die Trennung des beliebig polarisierten Laserstrahls erfolgt daher in die Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters aufgrund der Form und Gestalt der optischen Achse des optischen Materials des Polarisationsaufspalters. Im Sinne dieser Anmeldung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen und einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. zwei links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen. Die Umwandlung von linear polarisierten Teillaserstrahlen mit senkrecht zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen in zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn kann z.B. mit Hilfe einer geeignet orientierten Verzögerungsplatte (A/4-Platte) erfolgen, siehe unten.
Die vom Polarisationsaufspalter nach Basispolarisationszuständen zerlegten auslaufenden Teillaserstrahlen können einen Winkelversatz und/oder einen Ortsversatz zueinander aufweisen. Auch dies lässt sich mit der Anisotropie der Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen des optischen Materials des Polarisationsaufspalters begründen.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch den Polarisationsaufspalter einen Winkelversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der erste Teillaserstrahl mit einer ersten Polarisation hinter dem Polarisationsaufspalter nicht parallel zum zweiten Teillaserstrahl mit einer zweiten Polarisation verläuft.
Zur Erzeugung des Winkelversatzes (ohne Ortsversatz) kann der Polarisationsaufspalter eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, die unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche geneigt ist. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise parallel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Die beiden Teillaserstrahlen treten in diesem Fall an der Strahlaustrittsfläche an demselben Ort und mit einem definierten Winkelversatz aus dem doppelbrechenden Kristall aus.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch den Polarisationsaufspalter einen Ortsversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit der ersten Polarisation hinter dem doppelbrechenden Polarisationselement parallel zum Teillaserstrahl mit der zweiten Polarisation verläuft. Allerdings sind beide Teillaserstrahlen parallel zueinander verschoben, sodass es einen endlichen Abstand zwischen beiden Teillaserstrahlen gibt.
Zur Erzeugung des Ortsversatzes (ohne Winkelversatz) kann der Polarisationsaufspalter beispielsweise parallel ausgerichtete, in der Regel plane Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen aufweisen. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Strahleintrittsfläche, wird an der Strahlaustrittsfläche ein reiner Ortsversatz erzeugt. Die Abstände der einzelnen Teillaserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation können durch den Polarisationsaufspalter festgelegt werden, beispielsweise bei der Herstellung oder durch Orientierung der optischen Achse des Kristalls zum einfallenden Laserstrahl.
Beispielsweise kann ein Polarisationsaufspalter einen ersten Teillaserstrahl nicht ablenken und einen zweiten Teillaserstrahl ablenken. Dementsprechend würde der erste Teillaserstrahl weiterhin auf der optischen Achse propagieren, der zweite Teillaserstrahl jedoch nicht. Es ist auch möglich, dass beide Teillaserstrahlen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden. Es ist auch möglich, dass beide Teillaserstrahlen in dieselbe Richtung aber unterschiedlich stark abgelenkt werden.
Insbesondere kann der erste Versatz (oder der zweite Versatz) auch Null sein und nur der zweite Versatz (oder der erste Versatz) einen endlichen Wert annehmen, da so bereits eine Aufspaltung in Teillaserstrahlen ermöglicht wird.
Die Bearbeitungsoptik ermöglicht es die vom Polarisationsaufspalter bereitgestellten Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisation in zwei verschiedene Fokuszonen zu überführen und in das Werkstück einzubringen. Insbesondere wird ein erster Teillaserstrahl einer ersten Polarisation in einer ersten Fokuszone in das Werkstück eingebracht und der zweite Teillaserstrahl einer zweiten Polarisation wird in der zweiten Fokuszone in das Werkstück eingebracht, um das Werkstück zu bearbeiten.
Insbesondere können die Fokuszonen in der gleichen oder in verschiedenen Fokusebenen liegen. Das kann bedeuten, dass die erste Fokuszone beispielsweise in Strahlausbreitungsrichtung vor oder hinter der zweiten Fokuszone liegt. Die beiden Fokuszonen können auch in derselben Fokusebene liegen, wobei die Fokuszonen in der Fokusebene jedoch versetzt zueinander vorliegen. Beispielsweise kann eine Fokuszone unter der Grenzfläche beim Fügen liegen und die andere Fokuszone kann oberhalb der Grenzfläche beim Fügen liegen.
Eine Bearbeitung kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Werkstück getrennt wird, oder eine Kante abgefast wird, oder eine Sollbruchstelle erzeugt wird oder eine besonders gerichtete Materialspannung erzeugt wird und so weiter. Es kann aber auch sein, dass das Werkstück zwei Fügepartner umfasst, die miteinander gefügt werden sollen. Verschiedene Varianten der Bearbeitung werden weiter unten besprochen.
Der Polarisationsschalter wird in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Polarisationsaufspalter angeordnet. Der Polarisationsaufspalter nimmt hierbei eine fixe Aufspaltung und/oder Ablenkung des Laserstrahls in seine orthogonalen Basispolarisationskomponenten vor. Das bedeutet, dass die Größe der räumlichen Aufspaltung der zwei Teillaserstrahlen unabhängig von der Polarisation des einfallenden Laserstrahls ist. Das bedeutet aber auch, dass der erste Teillaserstrahl sich in einem ersten Basispolarisationszustand des Polarisationsaufspalters befindet und entlang einem ersten Pfad durch und aus dem Polarisationsaufspalter propagiert und der zweite Teillaserstrahl sich in einem zweiten Basispolarisationszustand befindet und entlang einem zweiten Pfad durch und aus dem Polarisationsaufspalter propagiert.
Indem der Polarisationsschalter vor dem Polarisationsaufspalter angeordnet wird, kann die Polarisation des einfallenden Laserstrahls so manipuliert werden, dass der Polarisationszustand des einfallenden Laserstrahls einem Basispolarisationszustand des Polarisationsaufspalters entspricht. Dann wird - bei einer vollständigen Polarisation des einfallenden Laserstrahls, die gesamte Laserenergie des Laserstrahls entlang dem Pfad des Teillaserstrahls des gewählten Basispolarisationszustands transportiert.
Beispielsweise kann der Polarisationsaufspalter einen Laserstrahl in einen ersten Teillaserstrahl in einem ersten Basispolarisationszustand und einen zweiten Teillaserstrahl in einem zweiten Basispolarisationszustand ablenken. Wenn sich der Laserstrahl bereits vor dem Polarisationsaufspalter vollständig in dem ersten Basispolarisationszustand befindet, so wird der Laserstrahl auf den Pfad des ersten Teillaserstrahls abgelenkt. Eine Aufspaltung des Laserstrahls findet wegen der vollständigen Polarisation des einfallenden Laserstrahls nicht statt.
Wenn mit dem Polarisationsschalter der Laserstrahl zwischen den beiden Basispolarisationszuständen hin- und hergeschaltet wird, so wird der Laserstrahl abwechselnd auf den Pfad des ersten und des zweiten Teillaserstrahls abgelenkt. Dementsprechend wird die Laserenergie abwechselnd in die erste Fokuszone oder die zweite Fokuszone eingebracht.
Wenn mit dem Polarisationsschalter der Laserstrahl zwischen den beiden Basispolarisationszuständen hin- und hergedreht wird, so wird der Laserstrahl abwechselnd auf den Pfad des ersten und des zweiten Teillaserstrahls abgelenkt, wobei jedoch bei einem jeden Zwischenpolarisationszustand des Laserstrahls auch eine Aufspaltung des Laserstrahls vorgenommen wird. Dementsprechend wird die Laserleistung zunächst in eine erste Fokuszone eingebracht, anschließend zu einem Teil in die erste und zu einem Teil in die zweite Fokuszone eingebracht und schließlich in die zweite Fokuszone eingebracht. Die Anteile der in die erste und die zweite Fokuszone eingebrachte Laserenergie (oder Intensität) richtet sich hierbei nach der Projektion der Polarisation des einfallenden Laserstrahls auf die Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters. Insbesondere wird so durch die Wahl des Polarisationszustandes durch den Polarisationsschalter abwechselnd die Intensität der zwei Teilstrahlen maximiert beziehungsweise die in die zwei verschiedenen Fokuszonen eingebrachte Energie maximiert.
Das abwechselnde Einbringen der Laserenergie in die Fokuszonen kann hierbei ein im Zeitverlauf mindestens abschnittsweises periodisches Verhalten bedeuten. Dadurch ist es insbesondere möglich eine Wobbel-Bewegung der Laserstrahlen zu imitieren. Durch den räumlichen Abstand der Fokuszonen wird hierbei die Wobbelamplitude definiert. Zudem kann durch den Polarisationsschalter die Wobbel-Frequenz, also die zeitliche Wiederholrate des abwechselnden Einbringens der Laserenergie in die Fokuszonen, eingestellt werden.
Das Maximieren der Intensität der Teillaserstrahlen kann hierbei bedeuten, dass die Bearbeitung des Werkstücks mit der Vorrichtung auch bei nicht vollständig polarisiertem Laserlicht möglich ist. Wenn beispielsweise der einfallende Laserstrahl lediglich zu 80% polarisiert ist, dann können durch den Polarisationsaufspalter auch lediglich 80% des Laserstrahls gezielt aufgespalten und/oder abgelenkt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass das die Position des Laserstrahls nicht durch eine Bewegung der Bearbeitungsoptik geändert wird, so dass die Vorrichtung eine besonders hohe mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere erfolgt die Positionsänderung an einem anderen Ort als bei der Bearbeitungsoptik, so dass die Bearbeitungsoptik besonders einfach hergestellt werden kann. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Vorrichtung, sowie eine kostengünstige Realisierung, wobei auch leistungstaugliche Elemente besonders einfach verbaut werden können. Des Weiteren kann eine Bearbeitungsoptik mit einer großen Apertur und bei großen Prozessgeschwindigkeiten eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist der Polarisationsaufspalter als doppelbrechender Polarisationsaufspalter in Form eines doppelbrechenden Kristalls ausgebildet. Es lassen sich dadurch eine Strahlführung des Laserstrahls innerhalb der Vorrichtung vereinfachen und ein Justageaufwand des Laserstrahls im Zusammenhang mit des Polarisationsaufspalters verringern.
Die Wellenlänge des Laserstrahls kann zwischen 200nm und 2000nm betragen, bevorzugt 257nm oder 343nm oder 515nm oder 1030nm betragen.
Die Vorrichtung ist demnach unabhängig von der Wellenlänge besonders gut zum Bearbeiten eines Werkstücks geeignet. Insbesondere kann für das Werkstück und die zu erzielende Bearbeitung eine passende Laserwellenlänge gewählt werden, so dass eine optimale Bearbeitung realisiert werden kann. Je nach gegebener Wellenlänge kann es hierbei jedoch erforderlich sein die optischen Elemente der Vorrichtung der Wellenlänge des Laserstrahls entsprechend anzupassen.
Der Laser kann ein Dauerstrichlaser oder ein gepulster Laser, insbesondere ein Ultrakurzpulslaser sein, und/oder ein Single Mode oder Multi Mode Laser sein und/oder fasergeführt oder freiraumgeführt sein.
Ein Dauerstrichlaser stellt einen kontinuierlichen Laserstrahl bereit, so dass kontinuierlich Laserenergie entlang des Laserstrahls transportiert wird.
Im Gegensatz dazu stellt der gepulste Laser lediglich während bestimmter Zeitintervalle, deren Länge die sogenannte Pulslänge ist, Laserenergie zur Verfügung. Der Energietransport durch die Laserpulse erfolgt hierbei ebenfalls entlang des Laserstrahls. Insbesondere kann ein gepulster Laser auch ein Ultrakurzpulslaser sein, wobei die Pulsdauer der Laserpulse kleiner als 10ps sein kann, bevorzugt kleiner als 1 ps sein kann.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis zu hunderten Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Bursts kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet.
Eine Abfolge von Einzelpulsen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nacheinander mehrere Einzelpulse von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Einzelpulse. Eine Abfolge von Bursts bedeutet, dass nacheinander jeweils mehrere Bursts von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Bursts umfasst demnach mindestens zwei Bursts. Insbesondere können die Bursts oder Einzelpulse der Abfolge jeweils gleichartig sein. Gleichartig sind die Bursts oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Bursts - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Bursts aufweisen.
Um das Material zu bearbeiten, können Einzelpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und beispielsweise sukzessive absorbiert werden. Diese Vielzahl an einer Position eingebrachter ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts wird auch Laserspot genannt, wobei die Anzahl an Einzelpulse und/oder Bursts pro Laserspot N gegeben ist durch das Produkt aus Spotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG: N = SG * P / VG. Die Spotgröße beschreibt hierbei über weichen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.
Die Größe des Bearbeitungsbereichs ist dabei zusätzlich durch die Strahlgeometrie, insbesondere die Größe der Fokuszone des fokussierten Laserstrahls, bestimmt. Die Strahlgeometrie beschreibt hierbei die räumliche Ausgestaltung des Laserstrahls sowie weitere Strahleigenschaften wie beispielsweise bestimmte Beugungseigenschaften des Laserstrahls, siehe unten.
Bauartbedingt können sich aufgrund der Resonatorlänge des Lasers im Laserstrahl eine Vielzahl von longitudinalen Moden ergeben. Ein solcher Laser wird auch Multi-Mode Laser genannt. Wird lediglich eine einzige Mode durch den Laser bereitgestellt, so spricht man von einem Single-Mode Laser. In der vorliegenden Erfindung können sowohl Single-Mode als auch Multi-Mode Laser verwendet werden.
Bei einem fasergeführten Laser wird der Laserstrahl des Lasers in eine Faser eingekoppelt und so zum Einsatzort, beziehungsweise zu den optischen Elementen der Vorrichtung geführt. Eine solche Faser kann beispielsweise eine optische Faser, eine Glasfaser oder eine Hohlkernfaser sein. Bei einer Freistrahlführung wird der Laserstrahl über ein optisches Linsen und/oder Spiegelsystem zu den optischen Elementen der Vorrichtung beziehungsweise zu der Bearbeitungsoptik geführt. Während man im ersten Fall leicht eine flexible Laserführung beispielsweise auch im Kurven oder von Raum-zu-Raum realisieren kann, kann im zweiten Fall der Laserstrahl besonders einfach manipuliert werden, da der Laserstrahl frei zugänglich ist.
Der Polarisationsgrad des Laserstrahls kann vor dem Polarisationsschalter größer ist als 50% sein.
Dadurch kann erreicht werden, dass der Polarisationsschalter die Polarisation des Laserstrahls besonders gut manipulieren kann. Wenn der Laserstrahl unpolarisiert wäre, könnte der Polarisationsschalter keine Polarisation modifizieren. Je höher der Polarisationsgrad, desto höher ist der Kontrast der beiden Teillaserstrahlen in den beiden Fokuszonen.
Beispielsweise kann vor dem Polarisationsschalter ein Polarisationsfilter angeordnet sein, um den Laserstrahl zu polarisieren beziehungsweise den Polarisationsgrad zu erhöhen.
Der Laser kann den Polarisationsschalter umfassen.
Dadurch kann ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung realisiert werden, wenn der Laser bereits einen Laserstrahl mit einer gesteuerten beziehungsweise schaltbaren und/oder drehbaren Polarisation aufweist. Der Polarisationsschalter kann eine Pockelszelle und/oder eine rotierende A/4-Platte und/oder eine rotierende A/2 Platte ist sein.
Eine Pockelszelle ist hierbei eine optoelektronische Vorrichtung die die Polarisation eines durch die Pockelszelle laufenden Laserstrahls durch Anlegen einer Steuerungsspannung modifizieren kann. Insbesondere ist es möglich die Polarisation des Laserstrahls zu drehen und/oder eine lineare (elliptische oder zirkulare) Polarisation in eine elliptische oder zirkulare (lineare) Polarisation umzuwandeln. Dementsprechend kann durch die Spannungssteuerung besonders einfach eine Schaltung oder Drehung oder Modifikation der Polarisation vorgenommen werden.
Beispielsweise kann eine sinusförmige Spannung an die Pockelszelle angelegt werden, so dass die in jeder Fokuszone deponierte Energie, beziehungsweise die Intensität der zwei Teillaserstrahlen sinusförmig moduliert wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die Spannung eine andere Kurvenform aufweist, beispielsweise rechteckig ist oder Sägezahn-förmig ist. Dadurch kann die Polarisation insbesondere geschaltet werden.
Insbesondere kann durch eine Pockelszelle auf bewegliche Teile in der Vorrichtung verzichtet werden, so dass eine besondere mechanische Stabilität erreicht werden kann.
Eine rotierende A/2 Platte rotiert die Polarisation des Laserstrahls proportional zum Rotationswinkel der A/2 Platte um die optische Achse des verbauten optischen Kristalls. Beispielsweise kann die A/2 Platte auch segmentiert sein, wobei ein erstes Segment eine erste optische Achse aufweist und ein zweites Segment eine zweite optische Achse aufweist. Beim Übergang des Laserstrahls von einem Segment in ein anderes Segment aufgrund der Rotation, kann ein Sprung der Polarisationsdrehung des Laserstrahls erzeugt werden. Dadurch kann insbesondere auch mit einer rotierenden A/2 Platte eine Schaltung der Polarisation erreicht werden.
Eine rotierende A/4 Platte erzeugt aus einem einfallenden linear polarisierten Laserstrahl in der Rotation entsprechender periodischer Art und Weise einen links- oder rechtszirkular polarisierten Laserstrahl. Durch eine nachfolgende A/4 Platte kann der zirkular polarisierte Laserstrahl wieder in einen linear polarisierten Laserstrahl überführt werden, wobei wie bei der rotierenden A/2 Platte alle linearen Polarisationszustände durchlaufen werden. Bei einem einfallenden, zirkular polarisiertem Laserstrahl genügt lediglich eine rotierende A/4 Platte um eine rotierende lineare Polarisation zu erzeugen. Eine A/4-Platte kann in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Polarisationsaufspalter angeordnet sein und dazu eingerichtet sein einen zirkular polarisierten Laserstrahl in einen linear polarisierten Laserstrahl zu überführen.
Insbesondere kann auf diese Weise zirkular polarisiertes Licht des Polarisationsschalters in linear polarisiertes Licht überführt werden, so dass eine Projektion des Polarisationszustands auf die Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters zu einer Modulation der Intensität der Teillaserstrahlen in den Fokuszonen führt.
Wie bereits weiter oben beschrieben, können die zwei Teillaserstrahlen in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Polarisationsaufspalter zueinander orthogonal linear polarisiert sein, bevorzugt p- und s-polarisiert sein. Es ist aber auch möglich, dass durch eine A/4- Platte, die in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Polarisationsaufspalter angeordnet ist, die zueinander orthogonal linear polarisierten Teillaserstrahlen in zueinander orthogonal zirkular polarisierte Teillaserstrahlenüberführt werden.
Es ist auch möglich, dass als Polarisationsschalter eine Pockelszelle und eine A/4-Platte kombiniert werden. Die Polarisation des Laserstrahls kann mit der Pockelszelle beispielsweise um ±A/4 geschaltet werden, so dass in Kombination mit der A/4-Platte, die vor oder nach der Pockelszelle angeordnet werden kann, eine Rotation der Polarisation erreicht wird.
Dadurch kann insgesamt die Polarisationsrichtung bestimmt werden, als auch die Händigkeit der Polarisation. Somit ist eine ideale Anpassung der Polarisation an die Bearbeitung des Werkstücks möglich.
Die Bearbeitungsoptik kann eine Kollimationslinse und eine Fokussierlinse umfassen.
Die Kollimationslinse ist hierbei dazu eingerichtet Strahlenbündel nicht-paralleler Teilstrahlen, insbesondere divergenter Teilstrahlen in parallele Teilstrahlen zu überführen. Insbesondere können die Teillaserstrahlen des Polarisationsaufspalters mit einem Winkelversatz durch eine Kollimationslinse parallelisiert werden.
Die Fokussierlinse kann die Teilstrahlen eines Strahlenbündels in eine Fokuszone überführen. Insbesondere ist es dadurch möglich zwei verschiedene Strahlenbündel, wie die der Teillaserstrahlen, die durch den Polarisationsaufspalter bereitgestellt werden, in zwei verschiedene Fokuszonen zu überführen. Erst durch die Fokussierung und die dadurch bedingte Konvergenz der Strahlenbündel der Teillaserstrahlen in die jeweilige Fokuszone, wird in der Fokuszone eine Intensitätsüberhöhung erreicht, durch die das Werkstück bearbeitet werden kann.
Die Bearbeitungsoptik kann ein Strahlformungselement, bevorzugt ein diffraktives optisches Element oder ein Mikrolinsenarray umfassen, das dazu eingerichtet ist eine erste Intensitätsverteilung des Laserstrahls in eine zweite Intensitätsverteilung des Laserstrahls zu überführen.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches beispielsweise zur Herstellung eines bestimmten nichtbeugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Ein diffraktives optisches Element kann auch dazu geeignet sein einen einfallenden Laserstrahl in mehrere Teillaserstrahlen aufzuspalten. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.
Ein Mikrolinsenarray ist eine Anordnung von einer Vielzahl von Linsen, wovon jede eine eigene Abbildung der Teillaserstrahlen erzeugt. Mit einem Mikrolinsenarray lassen sich die zwei Teillaserstrahlen des Polarisationsaufspalters in eine Vielzahl von Teilteillaserstrahlen aufspalten.
Das Strahlformungselement kann dazu eingerichtet ist dem Laserstrahl ein Gauß’sches Strahlprofil oder ein nicht-beugendes Strahlprofil oder ein Flattop-Strahlprofil aufzuprägen.
Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist.
Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Beispielsweise kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden.
Es ist aber auch möglich, dass die Strahlformungsvorrichtung für die verschiedenen Teillaserstrahlen in Strahlausbreitungsrichtung unterschiedlich tiefe Fokuszonen einbringt.
Ein Flat-Top-Strahlprofil entspricht einem homogenen und scharf begrenzten Strahlquerschnitt, wobei in dem homogenen Teil des Strahlquerschnitts überall eine gleichhohe Intensität vorliegt, die Intensität über die scharfe Abgrenzung jedoch schnell auf einen fast verschwindenden Wert abfällt.
Ein Gauß’sches Strahlprofil weist als Strahlquerschnitt eine Gauß’sche Glockenkurve auf.
Die zweite Intensitätsverteilung durch das Strahlformungselement kann eine Multispot-Verteilung sein, wobei jeder Einzelspot der Multispot-Verteilung ein Gauß’sches Strahlprofil oder ein nichtbeugendes Strahlprofil oder ein Flattop-Strahlprofil aufweist.
Hierbei kann über das Strahlformungselement beispielsweise die Anzahl an Teillaserstrahlen festgelegt werden. Dies ergibt eine sogenannte Multispot-Verteilung, die sich aus verschiedenen Einzelspots zusammensetzt. Insbesondere kann durch das Strahlformungselement festgelegt werden, ob die aufgespalteten Teillaserstrahlen einer eindimensionalen Linie oder auf einem zweidimensionalen Gitter liegen.
Die Aufspaltung kann hierbei unabhängig von der Polarisation des Laserstrahls bewirkt werden. Insbesondere bleibt die Polarisation des Laserstrahls beim Durchgang durch das Strahlformungselement erhalten. Jedoch werden beim Durchgang durch das Strahlformungselement eventuelle Positionsabweichungen oder Winkelversätze von der optischen Achse, berücksichtigt, so dass eine Aufspaltung und Ablenkung durch das Strahlformungselement zusätzlich zu einer vorherigen Aufspaltung und Ablenkung bewirkt wird.
Beispielsweise kann ein erster Teilteillaserstrahl ein Gauß’scher Laserstrahl sein, ein zweiter Teilteillaserstrahl kann ein Flattop-Strahl sein und ein dritter Teilteillaserstrahl kann ein nichtbeugender Strahl sein. Es ist aber auch möglich, dass beispielsweise alle Teilteillaserstrahlen Gauß’sche Laserstrahlen sind.
Es ist auch möglich, dass durch die Strahlformungsoptik eine zweidimensionale Multispot- Verteilung bestehend aus beispielsweise 4x4 Multispots erzeugt wird. Hierbei kann die Polaristion der benachbarten Multispots unterschiedlich sein. Es kann aber auch sein, dass die Polarisation reihenweise oder spaltenweise gleich ist. Es ist aber auch möglich eine lineare Multispot-Verteilung mit beispielsweise 6x1 erzeugt wird, wobei die Spots eine alternierende Polarisation aufweisen. Das Werkstück kann durch die Bearbeitung entlang eine Trennlinie getrennt werden.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Abbildungsoptik, ab.
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials des Werkstücks zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.
Die Voids (Hohlräume) der Typ 111-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void) beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können. Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.
Es ist aber auch möglich mit der Vorrichtung opake Materialien wie beispielsweise Metalle oder Bleche zu bearbeiten, insbesondere zu schneiden. Hierbei wird durch die hochenergetische Anregung des Materials des Werkstücks Material verdampft und abgetragen.
Beim Blechschneiden mit einem gepulsten Laser beträgt die typische Spotgröße zwischen 50pm und 500pm, bevorzugt bei 150pm und die typische Nahtbreite beträgt zwischen 50pm und 500pm bevorzugt 200pm. Die sogenannte Wobbelamplitude, also der räumliche Abstand der Fokuszonen, der durch den Polarisationsaufspalter und die Bearbeitungsoptik erzeugt wird, beträgt zwischen 100pm und 4000pm, typisch 600pm.
Zudem beträgt die Wobbelfrequenz beim Blechschneiden typischerweise weniger als 5kHz, bevorzugt zwischen 200Hz und 2000Hz.
Das Werkstück kann zwei Fügepartner umfassen, die durch die Bearbeitung miteinander gefügt werden.
Die Fügepartner können hierbei aufeinander angeordnet sein, so dass die Grenzflächen der Fügepartner, über welche hinweg die Fügepartner miteinander gefügt werden sollen, aufeinander zeigen. Die Stoßfläche ist hierbei die Fläche, an der die Fügepartner aneinander anliegen.
Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption des Laserstrahls, bevorzugt der ultrakurzen Laserpulse und somit eine Wärmeakkumulation statt, sofern der Energieeintrag des Laserstrahls größer ist als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere durch Wärmediffusion. Durch die steigende Temperatur im Material des zumindest ersten Fügepartners kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials der Fügepartner erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials der Fügepartner führt.
Als Fügebereich wird demnach derjenige Bereich der Fügepartner verstanden, in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Dabei kann sich insbesondere auch die Netzwerkstruktur der Fügepartner ändern. Als Fügenaht wird dann die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, bzw. die Fügeverbindung ergibt.
Beim Fügen mit einem gepulsten Laser beträgt die typische Nahtbreite beträgt zwischen 10pm und 500pm bevorzugt 50pm bei einem Strahldurchmesser von 2pm. Der Wirkbereich eines einzelnen Spots gegenüber dem Strahldurchmesser ist hierbei deutlich größer, da aufgrund der Wärmeakkumulation und Wärmetransport ein Bereich aufgeschmolzen wird der die räumlichen Ausmaße des Einzelspots übersteigt. Die Wobbelamplitude beträgt zwischen 1 pm und 1000pm, typischerweise 200pm.
Zudem beträgt die Wobbelfrequenz beim Blechschneiden typischerweise weniger als 5kHz, bevorzugt zwischen 200Hz und 2000Hz.
Die Vorrichtung kann eine Vorschubvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Werkstück und den Laserstrahl relativ zueinander mit einem Vorschub entlang einer Trajektorie zu bewegen, wobei bevorzugt der Vorschub bevorzugt senkrecht oder parallel zur Aufspaltung des Laserstrahls erfolgt.
Die Trajektorie beschreibt hierbei die Auftrefflinie des Laserstrahls, wenn keine Aufspaltung durch den Polarisationsaufspalter oder ein strahlformendes Element erzeugt wird. Durch einen Vorschub wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte des unabgelenkten Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben.
Die Wobbel-Bewegung wird dieser Trajektorie überlagert, so dass eine Bearbeitung des Materials um die Trajektorie herum geschieht.
Die Vorrichtung kann eine Scanner-Einheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist die Teillaserstrahlen über das Werkstück zu scannen, wobei die Scanner-Einheit bevorzugt ein Galvano-Scanner ist. Insbesondere erlaubt ein Galvano-Scanner eine genaue und schnelle Positionierung des Laserfeldes über dem Werkstück.
Der Polarisationsschalter kann vor oder nach der Faserführung oder Freiraumführung angeordnet ist und/oder vor oder nach der der Kollimationslinse angeordnet sein und der Polarisationsaufspalter kann nach der Kollimationsoptik und nach dem Polarisationsschalter und vor der Fokussieroptik angeordnet ist oder vor der Kollimationsoptik und nach dem Polarisationsschalter angeordnet sein.
Der Polarisationsschalter kann beispielsweise nach der Faserführung oder Freiraumführung angeordnet sein und nach der der Kollimationslinse angeordnet sein und der Polarisationsaufspalter kann nach der Kollimationsoptik und vor der Fokussieroptik angeordnet sein
Der Polarisationsschalter kann beispielsweise nach der Faserführung oder Freiraumführung angeordnet sein und vor der der Kollimationslinse angeordnet sein und der Polarisationsaufspalter kann nach der Kollimationsoptik und vor der Fokussieroptik angeordnet sein.
Der Polarisationsschalter kann beispielsweise vor der Faserführung oder Freiraumführung angeordnet sein und somit vor der der Kollimationslinse angeordnet sein und der Polarisationsaufspalter kann nach der Kollimationsoptik und vor der Fokussieroptik angeordnet sein.
Der Polarisationsaufspalter kann bei den oben genannten Beispielen auch nach vor der Kollimationsoptik und nach dem Polarisationsschalter angeordnet sein.
Bevorzugt wird ein Polarisationsaufspalter, der einen Winkelversatz der Teillaserstrahlen erzeugt vor der Kollimationsoptik angeordnet, während ein Polarisationsaufspalter der lediglich einen Versatz der Teillaserstrahlen erzeugt hinter der Kollimationsoptik und vor der Fokussieroptik angeordnet werden kann.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eines Lasers vorgeschlagen, wobei ein Laserstrahl von einem Laser bereitgestellt wird, die Polarisation des Laserstrahls von einem Polarisationsschalter zwischen zwei Polarisationszuständen geschaltet und/oder gedreht wird, der Laserstrahl durch einen Polarisationsaufspalter in zwei Teillaserstrahlen aufgespaltet wird, wobei die zwei Teillaserstrahlen zueinander orthogonale Polarisationen aufweisen und wobei der erste Teillaserstrahl mit der ersten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen ersten Versatz aufweist und der zweite Teillaserstrahl einer zweiten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen zweien Versatz aufweist, und die zwei Teillaserstrahlen durch eine Bearbeitungsoptik in zwei Fokuszonen in das Werkstück eingebracht werden, wodurch das Werkstück bearbeitet wird. Erfindungsgemäß werden die Intensitäten der zwei Teillaserstrahlen durch das Schalten und/oder Drehen der Polarisation durch den Polarisationsschalter abwechselnd maximiert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung,
Figur 2A, B, C, D eine schematische Darstellung eines Polarisationsaufspalters sowie die Wechselwirkung mit einem Polarisationsschalter;
Figur 3A, B eine schematische Darstellung der polarisationsbasierten
Wobbelbewegung;
Figur 4A, B, C, D, E weitere schematische Darstellungen der Vorrichtungen;
Figur 5A, B, C eine schematische Darstellung eines Strahlformungselements und
Erzeugung eines Multispot-Profils;
Figur 6A, B eine weitere schematische Darstellung der Vorrichtung;
Figur 7 eine weitere schematische Darstellung der Vorrichtung und des Verfahrens; und
Figur 8 eine weitere schematische Darstellung der Vorrichtung und des Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden. In Figur 1 ist schematisch eine vorgeschlagene Vorrichtung 1 gezeigt.
Die Vorrichtung 1 weist einen Laser 3 auf, der einen Laserstrahl 30 zur Verfügung stellt. Der Laserstrahl 30 wird durch eine Faserführung 16 zur Bearbeitungsoptik 8 geleitet, die eine Kollimationslinse 81 und eine Fokussierlinse 82 umfasst. Die Bearbeitungsoptik 8 umfasst ebenfalls einen Polarisationsschalter 4, der dazu geeignet ist, die Polarisation des Laserstrahls 30 zu schalten und/oder zu drehen. Der Laserstrahl 30 mit der durch den Polarisationsschalter 4 definierten Polarisation wird anschließend zu einem Polarisationsaufspalter 5 geleitet, wobei der Laserstrahl 30 in die Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters 5 zerlegt und aufgespalten wird. Der Polarisationsaufspalter 5 erzeugt hierbei einen ersten Teillaserstrahl 301 , der gemäß einem ersten Basispolarisationszustand polarisiert ist, und einen zweiten Teillaserstrahl 302, der gemäß einem zweiten Basispolarisationszustand polarisiert ist. Der erste Teillaserstrahl 301 wird anschließend durch die Fokussierlinse 82 in eine erste Fokuszone 801 in das Werkstück 10 eingebracht und der zweite Teillaserstrahl 302 wird durch die Fokussierlinse in die zweite Fokuszone 802 in das Werkstück 10 eingebracht. Durch die dort deponierte Energie der Teillaserstrahlen 301 , 302 wird das Werkstück 10 bearbeitet.
In den Figuren 2A, B sind schematisch zwei Ausführungsformen eines Polarisationsaufspalters 5 gezeigt, mit denen es möglich ist, einen Laserstrahl 30 in verschiedene Basispolarisationskomponenten zu zerlegen. Die Polarisationsaufspalter 5 sind hierbei doppelbrechende Polarisationsaufspalter 5 und können beispielsweise in Form eines doppelbrechenden Kristalls vorgesehen sein. Als Kristall-Material für den Polarisationsaufspalter 5 können unterschiedliche doppelbrechende Materialien verwendet werden, z.B. alpha-BBO (alpha- Bariumborat), YVO4 (Yttrium-Vanadat), kristalliner Quarz, etc.
Der Polarisationsaufspalter 5 in Figur 2A ist keilförmig ausgebildet, d.h. eine plane Strahleintrittsfläche 52 zum Eintritt eines eintretenden Laserstrahls 30 und eine plane Strahlaustrittsfläche 54 des Polarisationsaufspalters 5 sind unter einem (Keil-)Winkel zueinander ausgerichtet. Die bzw. eine optische Achse 56 des Kristall-Materials ist parallel zur Strahleintrittsfläche 52 ausgerichtet.
Der in den Polarisationsaufspalter 5 senkrecht zur Strahleintrittsfläche 52 eintretende Laserstrahl 30 wird an der unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche 52 geneigten Strahlaustrittsfläche 54 in zwei Teillaserstrahlen 301 , 302 aufgeteilt, die senkrecht zueinander polarisiert sind, beispielsweise s- bzw. p-polarisiert sind. In Figur 2A ist, wie allgemein üblich, der s-polarisierte Teillaserstrahl 302 durch einen Punkt gekennzeichnet, während der zweite, p-polarisierte Teillaserstrahl 301 durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist. Der erste, p-polarisierte Teillaserstrahl 301 wird beim Austritt aus dem Polarisationsaufspalter 5 weniger stark gebrochen als der zweite, s-polarisierte Teillaserstrahl 302, so dass ein Winkelversatz a zwischen dem ersten und dem zweiten Teillaserstrahl 300 auftritt. Der erste und zweite Teillaserstrahl 300 treten hierbei an derselben Stelle an der Strahlaustrittsfläche 54 aus dem Polarisationsaufspalter 5 aus, das heißt es wird zwar ein Winkelversatz a, aber kein Ortsversatz zwischen den beiden Teillaserstrahlen 300 erzeugt.
Bei dem in Figur 2B gezeigten Polarisationsaufspalter 5 sind die Strahleintrittsfläche 52 und die Strahlaustrittsfläche 54 parallel zueinander ausgerichtet und die optische Achse 56 des Kristall- Materials ist unter einem Winkel von 45° zur Strahleintrittsfläche 52 ausgerichtet. Der senkrecht zur Strahleintrittsfläche 52 auftreffende Laserstrahl 30 wird in diesem Fall an der Strahleintrittsfläche 52 in einen ersten, ordentlichen Teillaserstrahl 301 und einen zweiten, außerordentlichen Teillaserstrahl 302 aufgeteilt. Die beiden Teillaserstrahlen 301 , 302 treten an der Strahlaustrittsfläche 54 parallel, das heißt ohne einen Winkelversatz, aber mit einem Ortsversatz Ax aus.
Die beiden in Figuren 2A, B dargestellten Polarisationsaufspalter 5 unterscheiden sich somit grundlegend dadurch, dass der in Figur 2A gezeigte Polarisationsaufspalter 5 einen Winkelversatz a (ohne Ortsversatz) erzeugt und dass der in Figur 2B gezeigte Polarisationsaufspalter 5 einen Ortsversatz Ax (ohne Winkelversatz) erzeugt.
In Figuren 2C, D ist die Wechselwirkungsweise mit einem vorgeschalteten Polarisationsschalter 4 gezeigt, wobei angenommen wird, dass der Laserstrahl 30, der auf den Polarisationsschalter trifft, bereits linear polarisiert ist oder wurde. Der Polarisationsschalter 4 prägt dem Laserstrahl 30 eine definierte Polarisation auf. Wenn die Polarisation des Laserstrahls 30 einem der Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters 5 entspricht, so wird die gesamte Energie des Laserstrahls 30 über den Pfad des jeweiligen Teillaserstrahls 301 , 302 in die entsprechende Fokuszone 801 , 802 gelenkt.
Beispielsweise ist in Figur 2C gezeigt, dass der Polarisationsschalter 4 den Laserstrahl 30 in einen s-Polarisationszustand überführt. Der s-Polarisationszustand ist einer der Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters 5. Dementsprechend wird der Laserstrahl 30 auf den Pfad des Teillaserstrahls 302 abgelenkt. Insbesondere enthält der s-polarisierte Laserstrahl 30 keine p-polarisierten Strahlteile, so dass keine Aufspaltung in zwei Teillaserstrahlen 301 , 302 erfolgt, sondern lediglich ein Laserstrahl 30 (genannt Teillaserstrahl 302) aus dem Polarisationsaufspalter 5 tritt.
In Figur 2D ist derselbe Polarisationsaufspalter 5 dargestellt, wenn ein p-polarisierter Laserstrahl 30 durch den Polarisationsschalter 4 bereitgestellt wird. Auch der p-Polarisationszustand ist ein Basispolarisationszustand des Polarisationsaufspalters 5, so dass der Energietransport über den Pfad des Teillaserstrahls 301 realisiert wird. Hierbei wird der Laserstrahl 30 um einen Winkel a abgelenkt gegenüber der optischen Achse der Vorrichtung 58 abgelenkt.
Es ist somit insgesamt aus einem Vergleich der Figuren 2C, D klar, dass bei einem Polarisationsaufspalter 5 mit zwei Basispolarisationszuständen s und p, ein p-polarisierter Laserstrahl 30 abgelenkt wird und ein s-polarisierter Laserstrahl 30 nicht abgelenkt wird. Im Allgemeinen ist demnach die Ablenkung für beide Polarisationszustände des Laserstrahls 30 unterschiedlich.
Insbesondere ist zudem aus Figuren 2A, B bereits bekannt, dass ein Laserstrahl mit einem Polarisationszustand, der nicht ein Basispolarisationszustand ist, in die zwei Basispolarisationszustände aufgespalten wird und die Energie des Laserstrahls 30 auf beide Teillaserstrahlen 301 , 302 aufgeteilt wird.
Es ist somit auch ersichtlich, dass bei einer abwechselnden, geschalteten Polarisation des Laserstrahls 30 oder bei einer Rotation der Polarisation des Laserstrahls 30 im Zeitverlauf auch der Pfad wechselt über den bevorzugt die Energie des Laserstrahls 30 transportiert wird.
In Figur 3A ist ein entsprechender Zeitverlauf eines solchen Polarisationswechsels gezeigt, sowie die damit verbundene Intensität des Laserstrahls 30, beziehungsweise der Teillaserstrahlen 301 , 302 in den Fokuszonen 801 und 802.
Zu Beginn des Zeitverlaufs kann der Laserstrahls 30 durch en Polarisationsschalter eine Polarisation von 0° aufweisen, so dass der gesamte Laserstrahl 30 entlang des Pfades des Teillaserstrahls 301 in die Fokuszone 801 gelenkt wird. Bei einer anschließenden Polarisation von 22,5° wird der Laserstrahl 30 durch den Polarisationsaufspalter 5 in die entsprechenden Basispolarisationszustände und Teillaserstrahlen 301 und 302 zerlegt. Die Intensität in der Fokuszone 801 ist dadurch deutlich größer als die Intensität in der Fokuszone 802. Bei einer Polarisation des Laserstrahls 30 von 45° ist die Intensität in beiden Fokuszonen 801 und 802 gleich groß. Bei einer Polarisation von 67,5° des Laserstrahls 30 ist die Intensität in der Fokuszone 802 größer als in der Fokuszone 801 . Bei einer Polarisation von 90° des Laserstrahls fällt die Polarisation des Laserstrahls 30 wieder mit einem Basispolarisationszustand des Polarisationsaufspalters 5 zusammen, so dass die gesamte Energie des Laserstrahls 30 in die Fokuszone 802 des zweiten Teillaserstrahls 302 transportiert wird. Im Zeitverlauf hat dadurch eine Variation der Polarisation eine Veränderung des Auftrefforts des Laserstrahls 30 in dem Werkstück 10 bewirkt. Durch eine periodische Polarisationsänderung des Laserstrahls 30 kann daher eine Wobbel-Bewegung des Laserstrahls 30 imitiert werden.
In Figur 3B ist eine weitere Darstellung der Wobbel-Bewegung gezeigt. Hierfür wurde ein Gaußförmiger Laserstrahl 30 simuliert, dessen Polarisation sinus-förmig moduliert wird und somit eine Aufspaltung entlang der x-Achse erfolgt und wobei gleichzeitig ein Vorschub entlang der y-Achse erfolgt. Dargestellt ist die gemittelte Laserintensität. Eine geringe Intensität ist hierbei schwarz dargestellt und eine hohe Intensität ist weiß dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die in das Werkstück 10 eingebrachte Laserintensität zwischen den Fokuszonen 801 , 802 hin- und herwechselt, so dass der Laserstrahl 30 auf dem Werkstück 10 eine Wobbel-Bewegung vollzieht, was mit der weiß-gestrichelten Linie zusätzlich illustriert wird.
Ein Polarisationsschalter 4 kann hierbei eine rotierende A/4-Platte oder eine A/2-Platte sein oder eine spannungsgesteuerte Pockelszelle sein. Über die rotierenden Wellenplatten kann besonders einfach eine Drehung der Polarisation des Laserstrahls realisiert werden, während über die Pockelszelle besonders einfach ein Schalten der Polarisation realisiert werden kann. Es ist jedoch auch möglich durch Anlegen einer periodischen Spannung mit der Pockelszelle die Polarisation kontinuierlich zu drehen.
Des Weiteren ist es auch möglich über segmentierte Wellenplatten eine Schaltung der Polarisation vorzunehmen. Ein erstes Segment der Wellenplatte kann hierbei einen doppelbrechenden Kristall mit einer ersten optischen Achse aufweisen und ein zweites Segment kann einen doppelbrechenden Kristall mit einer zweiten optischen Achse aufweisen. Wenn bei einer rotierenden segmentierten Wellenplatte der Laserstrahl durch den ersten Kristall fällt, so erfährt die Polarisation eine erste Drehung, während der Laserstrahl 30 wenn er durch den zweiten Kristall fällt, eine zweite Polarisationsdrehung erfährt. Durch die Rotation der Wellenplatte kann auch so ein Schalten der Polarisation des Laserstrahls 30 realisiert werden.
Weitere alternative Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Figuren 4A bis 4E gezeigt.
In Figur 4A wird der Laserstrahl 30 des Lasers 3 durch den Polarisationsschalter 4 geleitet, bevor er durch eine Faserführung 16 und einem nachgeschalteten Polarisationsaufspalter 5 durch die Bearbeitungsoptik 81 , 82 in das Werkstück 10 eingebracht wird.
In Figur 4B wird der Laserstrahl 30 des Lasers durch den Polarisationsschalter 4 geleitet, bevor er durch eine Faserführung 16 durch die Kollimationslinse 81 der Bearbeitungsoptik 8 kollimiert wird. Zwischen Kollimationslinse 81 und Fokussierlinse 82 ist der Polarisationsaufspalter 5 angeordnet, wobei die Fokussierlinse 82 die Teillaserstrahlen 301 und 302 nach dem Polarisationsaufspalter 5 in die Fokuszonen 801 , 802 in das Werkstück 10 einbringt.
In Figur 4C wird der Laserstrahl 30 des Lasers durch eine Faserführung 16 zum Polarisationsschalter 4 geleitet. Anschließend wird der Laserstrahl 30 durch die Kollimationslinse 81 der Bearbeitungsoptik 8 kollimiert und durch den Polarisationsaufspalter 5 gesendet, der der Laserstrahl 30 in zwei Teillaserstrahlen 301 , 302 aufspaltet. Die Teillaserstrahlen 301 , 302 werden schließlich durch die Fokussierlinse 82 in das Werkstück in die Fokuszonen 801 , 802 eingebracht.
In allen Figuren 4A bis 4C wurde hierbei vorausgesetzt, dass der Laserstrahls 30 beim Auftreffen auf den Polarisationsaufspalter 5 linear polarisiert ist. Dies kann beispielsweise wie in den Figuren 4D und E realisiert werden. In Figur 4E ist der Laserstrahl 30 des Lasers 3 zirkular polarisiert. Durch eine A/4 Platte 40 kann die zirkulare Polarisation in eine lineare Polarisation überführt werden. In Figur 4E weist der Laserstrahl 30 des Lasers 3 hingegen bereits eine lineare Polarisation auf. Sowohl in Figuren 4D und 4E ist dargestellt, dass die linearen Basispolarisationszustände des Polarisationsaufspalters 5 mit einer nachfolgenden A/4 Platte 50 in zirkulare Polarisationen umgewandelt werden können.
In Figur 5A ist die Wirkungsweise einer Strahlformungsoptik 6 gezeigt. Hierbei ist hinter dem Polarisationsaufspalter 5 eine Strahlformungsoptik 6 angeordnet. Die Strahlformungsoptik 6 kann hierbei die zwei Teillaserstrahlen 301 , 302 in eine Vielzahl von Teilteillaserstrahlen 3000 zerlegen, so dass die Laserenergie in eine Vielzahl von Fokuszonen in das Werkstück eingebracht werden kann. Durch einen vorgeschalteten Polarisationsschalter 4 kann die Intensität der Teilteillaserstrahlen 3000, die von einem Teillaserstrahl 301 , 032 einer bestimmten Basispolarisation stammen, modifiziert werden. Dies ist in Figur 5B gezeigt.
In Figur 5B wird analog zur Figur 3A durch den Polarisationsschalter 4 die Intensität der einzelnen Teilteillaserstrahlen 3000 modifiziert. Im Zeitverlauf kann somit auch mit einer Vielzahl an Teilteillaserstrahlen 3000 eine Wobbel-Bewegung realisiert werden. Analog zur Figur 3B ist dies für das Multispotprofil in Figur 5C dargestellt.
In Figur 6A ist eine Vorschubvorrichtung 12, die dazu eingerichtet ist die Bearbeitungsoptik 8 und das Werkstück 10 entlang dreier Raumachsen XYZ translatorisch zu bewegen. Der Laserstrahl 30 des Lasers 3 wird durch eine Umlenkoptik auf das Werkstück 10 gelenkt. Das Werkstück 10 ist hierbei auf einer Auflagefläche der Vorschubvorrichtung 12 angeordnet, wobei die Auflagefläche die Laserenergie, die das Werkstück nicht absorbiert, bevorzugt weder reflektiert, noch absorbiert noch stark zurück in das Werkstück 10 streut. Insbesondere kann der Laserstrahl 30 durch eine Freistrahlführung 18 in die Bearbeitungsoptik 8 eingekoppelt werden. Hierbei kann die Freistrahlführung 18 eine Freiraumstrecke mit einem Linsen- und Spiegelsystem sein, wie in Figur 6A gezeigt. Die Strahlführung kann aber auch über eine Faserführung 16, insbesondere über eine Hohlkernfaser mit Einkoppel- und Auskoppeloptik, realisiert werden, wie in Figur 6B gezeigt.
Im vorliegenden Beispiel in Figur 6A wird der Laserstrahl 30 durch eine Spiegelkonstruktion in Richtung des Werkstücks 10 gelenkt und von der Bearbeitungsoptik 8 in das Werkstück 10 eingebracht, wodurch das Werkstück 10 bearbeitet wird. Die Bearbeitungsoptik 8 kann mit der Vorschubvorrichtung 12 relativ zum Werkstück 10 bewegt und eingestellt werden.
Die Vorschubvorrichtung 12 kann das Werkstück 10 unter dem Laserstrahl 30 mit einem Vorschub V bewegen, so dass der Laserstrahl 30 das Werkstück 10 entlang der gewünschten Trajektorie bearbeitet. Insbesondere umfasst in der gezeigten Figur 6A die Vorschubvorrichtung 6 ein erstes Achssystem 120, mit dem der das Werkstück 10 entlang der XYZ Achsen bewegen und gegebenenfalls rotiert werden kann. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung 12 auch eine Werkstückhalterung 122 aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Werkstück 10 zu haltern.
In Figur 7 ist schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, die zum Fügen zweier Fügepartner es Werkstücks 10 geeignet ist. Die Fügepartner 101 , 102 sind hierbei an einer gemeinsamen Grenzfläche 103 aufeinanderliegend angeordnet.
Ein Laser 3 stellt hierbei beispielsweise ultrakurze Laserpulse bereit. Diese können in Form einer Abfolge von Einzelpulsen oder in Form einer Abfolge von Bursts in die Fügepartner 101 , 102 eingebracht werden.
Dabei kann die mittlere Leistung des Laserspots zwischen 0,1 W und 50W liegen. Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1 ps, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, besonders bevorzugt zwischen 20ns und 80ns zueinander aufweisen, wobei ein Burst zwischen 2 und 64 Burstpulsen, bevorzugt zwischen 2 und 16 Burstpulse umfasst. Die Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse und/oder der Bursts kann zwischen 0,5kHz und 10MHz liegen, bevorzugt zwischen 1kHz und 4MHz liegen. Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen
Der Laser 3 enthält in vorliegendem Fall den Polarisationsschalter und die Bearbeitungsoptik 8 umfasst den Polarisationsaufspalter 5. Die Bearbeitungsoptik 8 fokussiert die erzeugten Teillaserstrahlen 301 , 302 so, dass die Fokuszonen 801 , 802 in etwa mit der gemeinsamen Grenzfläche 103 der beiden Fügepartner 101 , 101 zusammenfällt.
Um die Teillaserstrahlen 301 , 302 in die gemeinsame Grenzfläche 103 der Fügepartner 101 , 102 zu fokussieren, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 101 transparent für die Wellenlänge des Lasers 3 sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner 101 ein Glas oder ein Kristall oder eine Keramik oder ein Kunststoff sein. Beispielsweise kann der zweite Fügepartner 102 opak oder transparent sein. Beispielsweise kann der zweite Fügepartner 102 ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Kunststoff oder eine Keramik sein.
An der Grenzfläche 103 werden in den Fokuszonen 801 , 802 aufeinander folgende Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 101 , 102 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 103 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 102, 101 verbindet. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 101 , 102. Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 101 , 102 in diesem Bereich miteinander durch Schweißen gefügt. Dieser Bereich, in dem das Aufschmelzen und Verbinden der Materialien sowie das nachfolgende Abkühlen der Schmelze stattfindet und in dem entsprechend das eigentliche Fügen stattfindet, wird auch als Fügestelle bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 101 , 102 bildet eine Schweißnaht aus.
Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschub V zwischen 0,01 mm/s und l OOOmm/s, bevorzugt zwischen 0,1 mm/s und 300mm/s bewegt und/oder positioniert werden. Hierfür können die Fügepartner beispielsweise auf einer Vorschubvorrichtung 12 positioniert werden, wie bereits weiter oben gezeigt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Teillaserstrahlen 301 , 302 entlang einer Fügenaht über die Fügepartner 101 , 102 verfahren werden, so dass die Fügepartner 101 , 102 entlang der Fügenaht gefügt werden können.
Beim Fügen der Fügepartner 101 , 102 mit einer überlagerten Wobbel-Bewegung durch den Polarisationsschalter 4, wird gewisser maßen periodisch links und rechts von der Fügetrajektorie 14 eine Schmelzzone erzeugt. Es ist aber auch möglich, dass die Schmelzzonen oberhalb und unterhalb der Trajektorie 14 erzeugt werden, also eine erste Schmelzzone in dem ersten Fügepartner erzeugt wird und eine zweite Schmelzzone in dem zweiten Fügepartner erzeugt wird. Durch den räumlichen Wechsel des Ortes der Energieeinbringung kann ein größeres Schmelzvolumen bei gleicher mittlerer Leistung des Lasers erzeugt werden. Somit ergibt sich insgesamt eine höhere Qualität der Fügenaht in Form von stabileren Schweißnähten, weniger Rissbildung durch Materialspannungen, geringere Sichtbarkeit der Fügenähte und eine erhöhte Hermetizität. In Figur 8 ist schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, die zum Trennen eines Werkstücks 10, insbesondere zu Blechschneiden geeignet ist. Hierbei werden analog zur Figur 7 die Teillaserstrahlen 301 , 302 entlang einer Trajektorie 14 eingebracht, entlang derer das Material getrennt werden soll. Hierbei können die Fokuszonen 801 , 802 auf der Trajektorie liegen, so dass eine höhere Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise höhere Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Schnittqualität realisiert werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass die Fokuszonen 801 , 802 analog zur Figur 7 neben der eigentlichen Trajektorie eingebracht werden.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
10 Werkstück
101 erster Fügepartner
102 zweiter Fügepartner
103 Grenzfläche
12 Vorschubvorrichtung
120 Achssystem
122 Werkstückhalterung
14 Trajektorie
16 Faserführung
18 Freistrahlführung
3 Laser
30 Laserstrahl
301 erster Teillaserstrahl
302 zweiter Teillaserstrahl
3000 Teilteillaserstrahl
4 Polarisationsschalter
40 A/4-Platte
5 Polarisationsaufspalter
50 A/4-Platte
52 Strahleintrittsfläche
54 Strahlaustrittsfläche
56 optische Achse des doppelbrechenden Kristalls
58 optische Achse der Vorrichtung
6 Strahlformungsoptik
8 Bearbeitungsoptik
81 Kollimationslinse
82 Fokussierlinse
801 erste Fokuszone
802 zweite Fokuszone a Winkelversatz zwischen den Teillaserstrahlen
Ax Ortversatz zwischen den Teillaserstrahlen
V Vorschub

Claims

28 Ansprüche
1 . Vorrichtung (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (10) mit einem Laserstrahl (30) eines Lasers (3), umfassend einen Laser (3), der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (30) abzugeben, einen Polarisationsschalter (4), der dazu eingerichtet ist die Polarisation des Laserstrahls (30) zwischen zwei Polarisationszuständen zu schalten und/oder die Polarisation des Laserstrahls (30) zu drehen, einen Polarisationsaufspalter (5), der dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) in zwei Teillaserstrahlen (300) aufzuspalten, wobei die zwei Teillaserstrahlen (300) zueinander orthogonale Polarisationen aufweisen und wobei der erste Teillaserstrahl (301) mit der ersten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen ersten Versatz aufweist und der zweite Teillaserstrahl (302) einer zweiten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen zweien Versatz aufweist, und eine Bearbeitungsoptik (8), die dazu eingerichtet ist, den ersten Teillaserstrahl (301) in eine erste Fokuszone (801) in das Werkstück (10) und den zweiten Teillaserstrahl (302) in eine zweite Fokuszone (802) in das Werkstück (10) einzubringen, um das Werkstück (10) zu bearbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsschalter (4) in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Polarisationsaufspalter (5) angeordnet ist, wobei das Schalten und/oder Drehen der Polarisation durch den Polarisationsschalter (4) abwechselnd die Intensitäten der zwei Teillaserstrahlen (300) maximiert.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsaufspalter (5) als doppelbrechender Polarisationsaufspalter in Form eines doppelbrechenden Kristalls ausgebildet ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Laserstrahls (30) zwischen 200nm und 2000nm beträgt, bevorzugt 257nm oder 343nm oder 515nm oder 1030nm beträgt.
4. Vorrichtung (1) nach einem vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3) ein Dauerstrichlaser oder ein gepulster Laser, insbesondere ein Ultrakurzpulslaser ist, und/oder ein Single Mode oder Multi Mode Laser ist und/oder fasergeführt oder freiraumgeführt ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsgrad des Laserstrahls (30) vor dem Polarisationsschalter (4) größer ist als 50%.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3) den Polarisationsschalter (4) umfasst.
7 Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsschalter (4) eine Pockelszelle und/oder eine rotierende A/4-Platte und/oder eine rotierende A/2 Platte ist
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsaufspalter (5) dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (3) in zwei zueinander orthogonal linear polarisierte Teillaserstrahlen (300) räumlich aufzuspalten, wobei die Teillaserstrahlen (300) nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters (5) einen Winkelversatz und/oder einen Ortsversatz zueinander aufweisen.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine A/4- Platte, die in Strahlausbreitungsrichtung vor dem Polarisationsaufspalter (5) angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist einen zirkular polarisierten Laserstrahl (30) in einen linear polarisierten Laserstrahl (30) zu überführen.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Teillaserstrahlen (300) in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Polarisationsaufspalter (5) zueinander orthogonal linear polarisiert sind, bevorzugt p- und s- polarisiert sind.
11 . Vorrichtung (1) Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine A/4-Platte, die in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Polarisationsaufspalter (5) angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist die zueinander orthogonal linear polarisierten Teillaserstrahlen (300) in zueinander orthogonal zirkular polarisierte Teillaserstrahlen (300) zu überführen.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (8) eine Kollimationslinse (81) und eine Fokussierlinse (82) umfasst.
13. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (8) ein Strahlformungselement (6), bevorzugt ein diffraktives optisches Element umfasst, das dazu eingerichtet eine erste Intensitätsverteilung des Laserstrahls (30) in eine zweite Intensitätsverteilung des Laserstrahls (30) zu überführen.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (6) dazu eingerichtet ist dem Laserstrahl (30) ein Gauß’sches Strahlprofil oder ein nicht-beugendes Strahlprofil oder ein Flattop-Strahlprofil aufzuprägen.
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Intensitätsverteilung eine Multispot-Verteilung ist, wobei jeder Einzelspot der Multispot-Verteilung ein Gauß’sches Strahlprofil oder ein nicht-beugendes Strahlprofil oder ein Flattop-Strahlprofil aufweist.
16. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) durch die Bearbeitung entlang eine Trennlinie getrennt wird oder dass das Werkstück (10) zwei Fügepartner umfasst, die durch die Bearbeitung miteinander gefügt werden.
17. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung (12), die dazu eingerichtet ist das Werkstück (10) und den Laserstrahl (30) relativ zueinander mit einem Vorschub (V) entlang einer Trajektorie (14) zu bewegen, wobei bevorzugt der Vorschub (V) bevorzugt senkrecht oder parallel zur Aufspaltung des Laserstrahls (30) erfolgt.
18. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Scanner-Einheit (120), die dazu eingerichtet ist das Laserfeld (34) über das Werkstück (10) zu scannen, wobei die Scanner-Einheit (120) bevorzugt ein Galvano-Scanner ist.
19. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Polarisationsschalter (4) vor oder nach der Faserführung oder Freiraumführung angeordnet ist und/oder vor oder nach der der Kollimationslinse angeordnet ist und
- der Polarisationsaufspalter (5) nach der Kollimationsoptik und nach dem Polarisationsschalter und vor der Fokussieroptik angeordnet ist oder vor der Kollimationsoptik und nach dem Polarisationsschalter angeordnet ist. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (10) mit einem Laserstrahl (30) eines Lasers (3), wobei ein Laserstrahl (30) von einem Laser (3) bereitgestellt wird, die Polarisation des Laserstrahls (30) von einem Polarisationsschalter (4) zwischen zwei Polarisationszuständen geschaltet und/oder gedreht wird, der Laserstrahl (30) durch einen Polarisationsaufspalter (5) in zwei Teillaserstrahlen (300) aufgespaltet wird, wobei die zwei Teillaserstrahlen (300) zueinander orthogonale Polarisationen aufweisen und wobei der erste Teillaserstrahl (301) mit der ersten Polarisation nach dem Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen ersten Versatz aufweist und der zweite Teillaserstrahl (302) einer zweiten Polarisation nach dem
Durchlaufen des Polarisationsaufspalters einen zweien Versatz aufweist, und die zwei Teillaserstrahlen (300) durch eine Bearbeitungsoptik in zwei Fokuszonen in das Werkstück (10) eingebracht werden, wodurch das Werkstück (10) bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäten der zwei Teillaserstrahlen (300) durch das Schalten und/oder Drehen der
Polarisation durch den Polarisationsschalter abwechselnd maximiert werden.
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