WO2023139151A1 - Verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks - Google Patents

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laser beam
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Marc Sailer
Daniel Grossmann
Daniel FLAMM
Jonas Kleiner
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for laser machining a workpiece which has a curved surface.
  • the invention is based on the object of providing a method as mentioned in the introduction, which enables laser processing of the workpiece with increased efficiency and increased reliability.
  • At least one focus element is provided by means of an input laser beam, the surface of the workpiece is acted upon by the at least one focus element and the at least one focus element is moved relative to the surface, the at least one focus element having an elongated shape parallel to a longitudinal center axis of the at least one focus element, the longitudinal center axis of the at least one focus element being oriented transversely and in particular perpendicularly to the surface of the workpiece and with a material of the workpiece being removed from the surface by means of the at least one focus element worn and/or modified.
  • the at least one focus element is positioned on or in the area of the surface of the workpiece to be processed, while the surface is moved relative to the at least one focus element, i.e. the focus position of the focused laser beams that form the focus element should be consistently on or in the area of the surface.
  • Deviations between the position of the focus element and the surface result, whereby the focus element is positioned too far above or below the surface for the respective application, for example.
  • deviations can result from unevenness in the material of the workpiece on the surface, inaccuracies in the focussing of laser beams for forming the focus elements or from inaccuracies resulting from the realization of the relative movement between the surface and the focus element.
  • the focused radiation area Due to the elongate shape of the focus element, the focused radiation area, by means of which proper laser processing of the material of the workpiece on the surface is possible, extends with a certain spatial extent transversely and in particular perpendicularly to the surface of the workpiece. This results in an increased focal position tolerance, which makes it possible to compensate for the above-mentioned inaccuracies when carrying out the method to a certain extent. This leads to increased stability and reduced susceptibility to failure of the method when it is being carried out.
  • the at least one focus element is elongate means in particular that the at least one focus element has a longitudinal direction and/or a longitudinal central axis along which it has the greatest spatial extent.
  • the fact that the surface of the workpiece is acted upon by the at least one focus element means in particular that at least one spatial section of the at least one focus element is brought into interaction with the material of the workpiece on the surface in such a way that the material is modified there and in particular is removed.
  • the surface is acted upon at the same time and/or simultaneously by the focus elements designed for laser processing of the workpiece.
  • An interaction between the at least one focus element and the material of the workpiece can basically include a linear and/or non-linear absorption of the laser radiation assigned to the at least one focus element by the material.
  • the focus element is to be understood as meaning a focused radiation area of the input laser beam, which in particular has a specific spatial extent and/or which is in particular designed to be spatially coherent.
  • a specific focus element such as a diameter, a length or a spatial extent of the focus element in a specific direction
  • intensity threshold is selected here, for example, in such a way that values lying below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for an interaction with the material for the formation of material modifications.
  • the intensity threshold is 50% of a global maximum intensity of the focus element.
  • a specific focus element is assigned a spatial interaction region in which the focus element or the laser radiation assigned to the focus element interacts with the material of the workpiece when it is arranged on it.
  • the focus element interacts with the material in this interaction area through linear and/or non-linear absorption.
  • the at least one focus element has a Bessel-like shape and/or a Bessel-like intensity profile.
  • the at least one focus element can be formed with an elongated shape in a technically simple manner.
  • the at least one focus element may have an abruptly autofocusing beam shape and/or intensity profile.
  • the at least one focus element has an intensity profile along a main extension direction, which, starting from a maximum intensity at an intensity maximum of the intensity profile, drops to l/e 2 times the maximum intensity by approximately a factor of 3 faster than is the case with a Gaussian intensity profile.
  • the rapid drop in intensity of these abrupt, self-focusing focus distributions results in more precise material processing with less damage to the material to be processed.
  • the material can be processed in particular with a particularly flat and/or smooth edge.
  • the drop in intensity from the maximum intensity to 1/e 2 times the maximum intensity is faster by at least a factor of 2.5 and/or faster by a factor of at most 3.5 than is the case with a Gaussian intensity profile.
  • the intensity profile has an intensity drop edge, on which the intensity drop is formed.
  • the intensity of the intensity profile in the main extension direction following the intensity drop edge is below the value of l/e 2 times the maximum intensity.
  • the intensity drop flank preferably faces the material of the surface or is positioned in the material.
  • the intensity maximum mentioned is in particular a main maximum and/or global maximum of the intensity profile.
  • the intensity profile has one or more secondary maxima, which adjoin the intensity maximum counter to the main direction of extent.
  • a respective maximum intensity of the secondary maxima decreases with increasing distance from the main maximum.
  • the at least one focus element has a spatial extension parallel to its longitudinal central axis of at least 5 ⁇ m and/or at most 1000 ⁇ m and preferably at least 10 ⁇ m and/or at most 500 ⁇ m.
  • the at least one focus element has a maximum spatial extension of at least 0.5 ⁇ m and/or at most 10 ⁇ m, preferably at least 1 ⁇ m and/or at most 5 ⁇ m and particularly preferably of approx. 2.2 ⁇ m.
  • focus elements which are spaced apart parallel to a longitudinal direction of the workpiece and/or the surface, the surface being flat parallel to the longitudinal direction and in particular the surface of the workpiece being acted upon simultaneously by the focus elements.
  • focus elements which are spaced apart parallel to a longitudinal direction of the workpiece and/or the surface, the surface being flat parallel to the longitudinal direction and in particular the surface of the workpiece being acted upon simultaneously by the focus elements.
  • several sections of an elongate modification to be formed on the surface of the workpiece can be formed simultaneously. This results in increased speed and efficiency of the process.
  • the fact that the surface of the workpiece is flat parallel to the longitudinal direction means in particular that the surface has a curvature of at least approximately zero in the longitudinal direction, and/or that a radius of curvature of the surface in the longitudinal direction is greater than 1 m and in particular greater than 10 m and in particular greater than 100 m and in particular "infinitely" large, and/or that the surface is not curved in the longitudinal direction.
  • the term "flat surface” is not related to a texture and in particular a microscopic texture of the surface, such as a roughness of the surface.
  • the focus elements are arranged adjacent to one another and/or adjacent to one another. Provision can be made for the focus elements to at least partially overlap.
  • the fact that the focus elements are spaced parallel to the longitudinal or circumferential direction of the workpiece means in particular that a spacing direction between the focus elements has at least one non-zero component which is oriented parallel to the longitudinal or circumferential direction.
  • the focus elements lie in a plane which is oriented in particular parallel to the longitudinal direction or in which a longitudinal center axis of the workpiece parallel to the longitudinal direction lies and/or which is oriented parallel to a main propagation direction of laser beams or partial beams from which the focus elements are formed.
  • the input laser beam is divided into a plurality of partial beams by means of a beam splitting element and partial beams coupled out of the beam splitting element are focused in order to form the focus elements.
  • the focus elements can be formed as copies of one another. In particular, this allows the focus elements to be positioned in a technically simple manner at different positions and/or at different distances on or in the area of the surface of the workpiece.
  • a maximum cross-sectional diameter of a specific elongate modification in a cross-section perpendicular to the surface is, for example, at least 1 ⁇ m and/or at most 10 ⁇ m.
  • a distance between grooves adjacent to each other on the surface in the circumferential direction is, for example, at least 1 ⁇ m and/or at most 100 mm and preferably at least 5 ⁇ m and/or at most 100 ⁇ m.
  • the surface is curved in the circumferential direction is to be understood in particular as meaning that the surface has a non-zero curvature in the circumferential direction, and/or that the surface has a finite radius of curvature in the circumferential direction, and/or that the surface is not flat along the circumferential direction.
  • the surface has a maximum curvature in the circumferential direction.
  • the elongate material modifications extend in particular along a longitudinal central axis which is oriented transversely and in particular perpendicularly to the circumferential direction and/or which is oriented parallel or transversely to a longitudinal direction of the workpiece.
  • a relative movement between the at least one focus element and the surface of the workpiece comprises a movement parallel to a longitudinal direction of the workpiece and/or the surface, the surface being flat parallel to the longitudinal direction.
  • This enables, for example, a linear removal of material on the surface.
  • elongated modifications and, in particular, grooves can be formed on the surface, which extend parallel to the longitudinal direction.
  • At least the surface is flat parallel to the longitudinal direction in an area in which the workpiece is acted upon by the at least one focus element for carrying out laser processing.
  • a relative movement between the at least one focus element and the surface of the workpiece includes a movement in a circumferential direction of the workpiece and/or the surface, the surface of the workpiece being curved along the circumferential direction.
  • elongated modifications and, in particular, grooves can be made on the surface form, which extend parallel or transverse to the longitudinal direction of the workpiece.
  • a plurality of elongate modifications which are spaced from one another in the circumferential direction can thereby be formed in an efficient manner.
  • the relative movement in the circumferential direction is realized by rotating the workpiece and/or the surface about a longitudinal center axis of the workpiece that is parallel to the longitudinal direction.
  • the relative movement includes a superimposition of a movement in the longitudinal direction and in the circumferential direction of the surface relative to the at least one focus element.
  • a trajectory of the at least one focus element is formed spirally on the surface.
  • the input laser beam is a pulsed laser beam and if a relative movement between the at least one focus element and the surface is adapted in such a way that laser pulses, from which the at least one focus element is formed at different points in time, impinge on the surface spaced apart in a circumferential direction of the workpiece and/or the surface in order to form elongated modifications and in particular grooves spaced apart in the circumferential direction on the surface, with the surface of the workpiece being curved along the circumferential direction.
  • the laser pulses of a specific focus element that are present at different times impinge on the surface at different positions due to the relative movement.
  • the laser pulses present at different times are of the same design and/or have the same properties, such as pulse duration, wavelength, etc.
  • the laser pulses from which the at least one focus element is formed at different points in time and/or which strike the surface at different points in time are used to form at least sections of different elongated modifications that are spaced apart in the circumferential direction.
  • the relative movement between the at least one focus element and the surface is synchronized in such a way that at least sections of elongated modifications and in particular grooves are formed on the surface by means of temporally successive laser pulses, which are spaced apart from one another in the circumferential direction of the workpiece and/or the surface.
  • the elongate modifications are circumferentially adjacent to one another.
  • time-successive laser pulses are assigned to elongate modifications to be formed, which are spaced apart and/or adjacent in the circumferential direction.
  • a geometric shape and/or an intensity profile of the at least one focus element can be adjusted or is set in a cross section in order to define a geometry of a modification and in particular an elongate modification formed by means of the at least one focus element and/or a removal of the material of the workpiece on the surface caused by the at least one focus element.
  • the cross section is oriented tangentially to the surface of the workpiece at a position on the surface at which it is acted upon by the respective focus element, ie a plane of the cross section is tangential to the surface at this position.
  • the cross section can be perpendicular to a respective longitudinal central axis of the at least one focus element.
  • cross-sectional geometry of the associated modification allows the cross-sectional geometry of the associated modification to be defined on the surface in a technically simple manner.
  • this makes it possible to define the cross-sectional geometry of an elongate modification and in particular a groove to be formed by means of the at least one focus element.
  • the geometric shape of the at least one focus element in the cross section has a preferred direction, along which the at least one focus element in the cross section has the greatest spatial extent, and/or that the geometric shape of the at least one focus element in the cross section is asymmetrical and in particular elliptical.
  • the at least one focus element may have a top-hat profile and/or be rectangular and/or square in the cross section oriented perpendicularly to its longitudinal center axis.
  • the longitudinal center axis is to be understood in particular as an axis of the focus element parallel to a main propagation direction of laser beams and/or partial beams from which the respective focus element is formed.
  • the material of the workpiece is removed and/or structured on the outside by means of the at least one focus element.
  • At least one elongate modification and in particular at least one groove is formed on the surface of the workpiece, wherein in particular a longitudinal central axis of the at least one elongate modification is at least partially oriented parallel to a longitudinal direction of the workpiece and/or the surface, the surface being flat along the longitudinal direction.
  • the fact that the central longitudinal axis of the at least one elongate modification is oriented at least in part parallel to a longitudinal direction of the workpiece and/or the surface means in particular that a direction of the central longitudinal axis has at least one non-zero component which is oriented parallel to the central longitudinal axis.
  • a longitudinal center axis of the elongate material modification is in particular oriented parallel or transverse to the longitudinal direction and/or to the longitudinal center axis of the workpiece.
  • the workpiece and/or the surface of the workpiece are cylindrical.
  • the surface of the workpiece is convexly curved.
  • a longitudinal direction is assigned to the workpiece and/or the surface of the workpiece, the surface being flat along the longitudinal direction.
  • a circumferential direction is assigned to the workpiece and/or the surface of the workpiece, with the surface being curved along the circumferential direction.
  • the longitudinal direction of the workpiece and/or the surface is oriented perpendicularly to the circumferential direction of the workpiece or the surface.
  • the workpiece has a longitudinal center axis parallel to the longitudinal direction, with a rotation of the workpiece about the longitudinal center axis causing a relative movement between the at least one focus element and the surface in the circumferential direction of the surface.
  • a main propagation direction, assigned to the at least one focus element, of laser beams and/or partial beams from which the at least one focus element is formed is oriented transversely and in particular perpendicularly to the surface of the workpiece.
  • a main propagation direction of laser beams and/or partial beams, from which the at least one focus element is formed, assigned to the at least one focus element is oriented at least approximately parallel to the longitudinal center axis of the at least one focus element.
  • the surface of the workpiece has a partially transparent or opaque material for the input laser beam and/or for a laser beam from which the at least one focus element is formed.
  • the workpiece has a material on the surface through which at most 30% and in particular at most 20% and in particular at most 10% of a laser energy of the input laser beam and/or the laser beam from which the at least one focus element is formed is transmitted.
  • the material of the workpiece at the surface is or includes, for example, a metallic material such as aluminum or stainless steel.
  • the input laser beam and/or a laser beam from which the at least one focus element is formed is a pulsed laser beam and in particular an ultra-short pulsed laser beam.
  • a respective focus element is then realized by means of laser pulses of the pulsed laser beam, which are present at a specific point in time and which are associated with partial beams, the focusing of which forms the respective focus element.
  • the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed has a diffractive beam profile and/or a Gaussian beam profile.
  • a wavelength of the input laser beam and/or of the laser beam from which the focus elements are formed is at least 300 nm and/or at most 1500 nm.
  • the wavelength is 515 nm or 1030 nm.
  • the input laser beam and/or the laser beam from which the focus elements are formed has an average power of at least IW to 1 kW.
  • the laser beam includes pulses with a pulse energy of at least 1 pJ and/or at most 10 mJ. It can be provided that the laser beam comprises individual pulses or bursts, the bursts having 2 to 20 sub-pulses and in particular a time interval of approximately 10 ns to 100 ns.
  • the terms “at least approximately” or “approximately” generally mean a deviation of at most 10%. Unless otherwise stated, the terms “at least approximately” or “approximately” mean in particular that an actual value and/or distance and/or angle deviates by no more than 10% from an ideal value and/or distance and/or angle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece
  • FIG. 2a shows a schematic cross-sectional illustration of an embodiment of the workpiece
  • 2b shows a schematic cross-sectional representation of a further embodiment of the workpiece
  • 3 shows a schematic cross-sectional illustration of a section of a surface of the workpiece with focus elements arranged thereon;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a beam shaping device for beam shaping of an input laser beam
  • 5a shows a schematic representation of a variant of a positioning of focus elements arranged on the surface of the workpiece
  • 5b shows a schematic representation of a further variant of a positioning of focus elements arranged on the surface of the workpiece
  • FIG. 6 shows a perspective view of the workpiece which is processed by means of focus elements
  • FIG. 7a shows a simulated intensity distribution of a cross section tangential to the surface of the workpiece of a focus element with symmetrical intensity distribution and a cross section of a modification formed by means of this focus element on the surface of the workpiece;
  • FIG. 7b shows a simulated intensity distribution of a cross section tangential to the surface of the workpiece of a focus element with asymmetrical intensity distribution and a cross section of a modification on the workpiece formed by means of this focus element;
  • FIG. 8a shows a simulated intensity distribution of a cross section, perpendicular to the surface of the workpiece, of Gaussian focus elements
  • FIG. 8b shows a phase distribution, assigned to the focus elements shown in FIG. 8a, of partial beams coupled out of a beam splitting element of the device
  • FIG. 8a shows a simulated intensity distribution of a cross section, perpendicular to the surface of the workpiece, of Gaussian focus elements
  • FIG. 8b shows a phase distribution, assigned to the focus elements shown in FIG. 8a, of partial beams coupled out of a beam splitting element of the device
  • 10a shows a simulated intensity distribution of a cross section, perpendicular to the surface of the workpiece, of abruptly self-focusing focus elements
  • FIG. 10b shows an intensity distribution assigned to the focus elements according to FIG. 10a.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece is shown in FIG. 1 and is denoted by 100 there.
  • the workpiece 102 has a curved surface 104 .
  • a material 106 of the workpiece 102 can be processed and in particular removed on the surface 104 by means of the device 100 .
  • the material 106 is in particular a material that is partially transparent or opaque for a wavelength with which laser processing takes place.
  • material 106 is or includes a metal material, such as steel and/or stainless steel and/or aluminum.
  • the workpiece 102 is cylindrical and/or tubular, with the surface 104 lying in a lateral surface of the cylindrical workpiece 102 (FIG. 2a).
  • a radius R of the workpiece 102 assigned to the surface 104 is not necessarily constant, but can have steps and/or jumps, for example (FIG. 2b).
  • the device comprises a beam splitting element 108 into which an input laser beam 110 is coupled.
  • This input laser beam 110 is provided by a laser source 112, for example.
  • the input laser beam 110 is a pulsed laser beam and/or an ultrashort pulse laser beam.
  • the input laser beam 110 is to be understood, in particular, as a bundle of rays which comprises a plurality of beams, which in particular run parallel.
  • the input laser beam 110 has, in particular, a transverse beam cross section 114 and/or a transverse beam extension, with which the input laser beam 110 impinges on the beam splitting element 108 .
  • the input laser beam 110 impinging on the beam splitting element 108 has in particular at least approximately flat wave fronts 116 .
  • the input laser beam 108 is divided into a plurality of partial beams 118 and/or partial beam bundles by means of the beam splitting element 108 .
  • the beam splitting element 108 In the example shown in FIG. 1, two different partial beams 118a and 118b are indicated.
  • the partial beams 118 or partial beam bundles coupled out of the beam splitting element 108 have, in particular, a divergent beam profile.
  • the beam splitting element 108 is designed as a far-field beam-shaping element.
  • the device 100 comprises focusing optics 120 into which the partial beams 118 are coupled.
  • the focusing optics 120 have, for example, one or more lens elements.
  • the focusing optics 120 are designed as a microscope objective.
  • the beam splitting element 108 is arranged at least approximately in a rear focal plane of the focusing optics 120 .
  • the focusing optics 120 has a focal length of between 5 mm and 50 mm, for example.
  • partial beams 118 that are different from one another impinge on the focusing optics 120 with a spatial offset and/or angular offset.
  • the partial beams 118 are focused by means of the focusing optics 120, so that a plurality of focus elements 122 are formed, which are each arranged at different spatial positions.
  • focus elements 122 that are different from one another and/or that are adjacent to one another to spatially overlap in sections.
  • one or more partial beams 118 and/or partial beams of rays are assigned to a specific focus element 122 .
  • a respective focus element 122 is formed by focusing one or more partial beams 118 and/or partial beams of rays.
  • a focus element 122 is to be understood in particular as a focussed radiation area, such as a focus spot, a focus point or a focus line.
  • the focus elements 122 each have a specific geometric shape and/or a specific intensity profile, the geometric shape being understood to mean, for example, a spatial shape and/or spatial extent of the respective focus element 122 .
  • the geometric shape and/or the intensity profile of a specific focus element 122 is referred to below as the focus distribution 124 of the focus element 122 (FIG. 3).
  • the focus distribution 124 is a property of the respective focus elements 122 and describes their shape and/or intensity profile.
  • a plurality of focus elements 122 or all focus elements 122 formed have the same focus distribution 124 .
  • the focus distribution 124 of the focus elements 122 formed is defined by the input laser beam 110 , the focus elements 122 being formed by the division of this beam by means of the beam splitting element 108 .
  • the input laser beam 110 are focused before it is coupled into the beam splitting element 108, for example a single focus element would be formed with the focus distribution assigned to the input laser beam 110.
  • input laser beam 110 has a Gaussian beam profile.
  • a focus element would be formed which has a focus distribution with a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
  • input laser beam 110 is assigned a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile, so that focusing input laser beam 110 would form a focus element which has a focus distribution with a quasi-non-diffractive or Bessel-like shape and/or quasi-non-diffractive or Bessel-like intensity profile.
  • the focus distribution of the input laser beam 110 is assigned to the partial beams 118 and/or partial beam bundles formed by splitting the input laser beam 108 by means of the beam splitting element 108 in such a way that the focus elements 122 are formed with this focus distribution and/or with a focus distribution based on this focus distribution by focusing the partial beams 118.
  • the input laser beam 110 has a Gaussian beam profile, ie the input laser beam 110 is assigned a focus distribution with a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
  • the focus elements 122 then each have, for example, the focus distribution 124 with this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile or with a shape or intensity profile based on this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile (indicated in Fig. 3).
  • the focus elements 122 designed for laser processing of the workpiece 102 each have a focus distribution 124 with this Bessel-like beam profile or with a beam profile based on this Bessel-like profile.
  • the focus elements 122 can each be formed, for example, with a focus distribution which has an elongate shape and/or an elongate intensity profile.
  • the device 100 has a beam shaping device 126 for beam shaping of the input laser beam 110 .
  • this beam shaping device 126 is arranged in front of the beam splitting element 108 with respect to a main propagation direction 128 of the input laser beam 110 and/or arranged between the laser source 112 and the beam splitting element 108 .
  • An exemplary embodiment of the beam shaping device 126 is shown in FIG. 4 .
  • the beam shaping device 126 is used to assign a specific beam profile to the input laser beam 110 coupled into the beam splitting element 108, as a result of which the focus distribution assigned to the input laser beam 110 can be adjusted before it is coupled into the beam splitting device 108.
  • the geometric shape and/or the intensity profile of the focus distribution assigned to the input laser beam 110 can be defined by means of the beam shaping device 126 .
  • the beam shaping device 126 is set up and configured in such a way that a quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beam profile is assigned to the input laser beam 108 coupled into the beam splitting element 108 .
  • the focus elements 122 then each have, for example, a focus distribution 124 with this quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile or with a beam profile based on this quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile.
  • the beam shaping device 126 comprises a beam shaping element 130, by means of which a phase is impressed on the beam cross section 114 of the input laser beam 110. This allows the geometric shape and/or the intensity profile of the focus distribution associated with the input laser beam 110 to be defined.
  • the beam-shaping element 130 is designed, for example, as a diffractive optical element and/or as an axicon element in order to assign a quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beam profile to the input laser beam 108 .
  • the beam-shaping element 130 is designed as a near-field beam-shaping element.
  • an intermediate image 132 of the focus distribution assigned to the input laser beam 110 coupled into the beam splitting element 108 is formed by means of the beam shaping element 130 .
  • This intermediate image is positioned between the beam-shaping element 130 and the beam-splitting element 108 with respect to the main propagation direction 128 .
  • the beam-shaping element 130 is assigned far-field optics 134, by means of which far-field focusing of the input laser beam 110 coupled out of the beam-shaping element 130 into a focal plane (not shown) of the far-field optics 134 takes place.
  • the far-field optics 134 are used to focus the intermediate image 132 far-field into the focal plane.
  • the beam splitting element 108 is arranged in said focal plane. It is also possible, for example, to use the beam shaping device 126 to assign a shape and/or an intensity profile of an abruptly self-focusing beam to the input laser beam 110 coupled into the beam splitting element 108 .
  • the focus elements 122 are in particular each formed identically to one another and/or each as copies of one another.
  • the beam splitting element 106 is preferably designed as a 3D beam splitting element or comprises a 3D beam splitting element.
  • a defined transverse phase distribution is impressed on the transverse beam cross section 114 of the input laser beam 110 .
  • a transverse beam cross section or a transverse phase distribution is to be understood in particular as a beam cross section or a phase distribution in a plane oriented transversely and in particular perpendicularly to the main propagation direction 128 of the input laser beam 110 .
  • the mutually spaced focus elements 122 are formed by interference of the focused partial beams 118, for example constructive Interference, destructive interference or incidents thereof may occur, such as partially constructive or partially destructive interference.
  • Each of the focus elements 122 formed can be assigned a specific local position xo, yo, zo by means of the beam splitting element 108, at which a respective focus element 122 is arranged on the surface 104 of the workpiece 106 (FIGS. 5a and 5b).
  • the local position of a specific focus element 122 is to be understood as meaning the position of its spatial center point and/or center of gravity.
  • a specific intensity Io can be assigned to each of the focus elements 122 formed by means of the beam splitting element 108 .
  • the local position xo, yo, zo as well as the intensity Io of a respective focus element 122 can thus be adjusted by means of the beam splitting element 108 .
  • the phase distribution imposed by the beam splitting element 108 has a specific optical grating component and/or optical lens component for each focus element 122 .
  • the local positions xo, yo, zo can be defined by appropriate adjustment and/or design of the beam splitting element 108 or the phase distribution applied by means of the beam splitting element.
  • the intensity Io of the respective focus elements 122 is determined by the phase positions of the focused partial beams 118 relative to one another. These phase angles can be defined by the stated optical grating components and optical lens components. The phase angles of the focused partial beams 118 can be selected relative to one another when setting or designing the beam splitting element 108 such that the focus elements 122 each have a desired intensity.
  • the Beam splitting element 108 is designed as a polarization beam splitting element or comprises a polarization beam splitting element.
  • a polarization beam splitting of the input laser beam 110 into beams, which each have one of at least two different polarization states, is carried out by means of the beam splitting element 108 .
  • the stated polarization states are to be understood as meaning linear polarization states, with two different polarization states being provided, for example, and/or polarization states oriented perpendicularly to one another being provided.
  • the polarization states are such that an electric field is oriented in a plane perpendicular to the beam propagation direction of the polarized beams (transverse electric).
  • the beam splitting element 108 comprises, for example, a birefringent lens element and/or a birefringent wedge element.
  • the birefringent lens element and/or the birefringent wedge element are made of, for example, a quartz crystal or comprise a quartz crystal.
  • the partial beams 118 can be formed with different states of polarization by means of the beam splitting element 108 .
  • the focus elements 122 can be formed, for example, from beams with a specific polarization state.
  • a specific polarization state can be assigned to the focus elements 122 in each case.
  • the focus elements 122 are formed by polarization beam splitting by means of the beam splitting element 108 in such a way that they have an asymmetric on the surface 104 Have cross-section (see. Fig. 7b).
  • partial beams 118 with different polarization states are focused in different partial areas.
  • a cross-sectional plane assigned to the asymmetrical cross-section is oriented transversely and in particular perpendicularly to the main propagation direction 128 and/or tangentially to the surface 104, i.e. parallel to a tangential plane of the surface 104 at the position of the focus element 122.
  • the beam splitting element 108 has a further beam shaping element (not shown) and/or that the beam splitting element 108 is assigned a further beam shaping element and/or that the beam splitting element 108 has beam shaping properties in order to define the cross section of the focus elements in terms of shape and intensity profile.
  • a "beam shaper" can be provided for this purpose.
  • the focus elements 122 can be produced in cross section with a rectangular or square shape or intensity profile.
  • the main propagation direction 128 assigned to the respective focus elements 122 is a main propagation direction and/or mean propagation direction of laser beams or partial beams from which the focus elements 122 are formed.
  • the main propagation direction 128 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the surface 104 and/or to a longitudinal center axis 136 of the workpiece 102 .
  • the surface 104 of the, for example, cylindrical workpiece 102 is at least partially flat along a longitudinal direction 138, i.e. the curvature of the surface 104 is at least approximately zero in the longitudinal direction 138.
  • the longitudinal direction 138 assigned to the workpiece 102 and/or the surface 104 is oriented parallel to the longitudinal central axis 136 .
  • the surface 104 has a non-zero and in particular a maximum curvature.
  • the workpiece 102 and / or the circumferential direction 140 associated with the surface 104 is oriented perpendicularly to the longitudinal direction 138 and perpendicularly to the radial direction of the radius R.
  • the surface 104 is acted upon by a plurality of focus elements 122 for the laser processing of the workpiece 102 .
  • the focus elements 122 are arranged on the surface 104 in such a way that the material 106 on the surface 104 is modified by linear and/or non-linear interaction of the material 106 with the focus elements 122 .
  • the focus elements 122 which are applied to the material 106 on the surface 104, are arranged at least approximately in a plane which is oriented, for example, perpendicular to the longitudinal direction 138 and/or the longitudinal center axis 136.
  • a spatial coordinate (the y coordinate in the example shown) of the focus elements 122 is constant.
  • the focus elements are positioned on the surface 104 at a distance along the circumferential direction 140, for example.
  • focus elements 122 are provided which are positioned at a distance along the circumferential direction 140 and which are positioned at a distance along the longitudinal direction 138 .
  • the focus elements 122 lie in a number of parallel planes which are spaced apart in the longitudinal direction 138 .
  • the focus elements are positioned on the surface 104 in a grid-like manner.
  • the workpiece 102 is arranged and/or mounted in such a way that the surface 104 can be moved in the circumferential direction 140 and/or in the longitudinal direction 138 relative to the focus elements 122 during the laser processing.
  • the workpiece 102 can be moved parallel to the longitudinal center axis 136 and/or rotated about the longitudinal center axis 136 .
  • the surface 104 for laser processing is arranged with a plurality of longitudinally 138 spaced focus elements 122 is applied.
  • elongated material modifications can be made on the surface 104, for example
  • the elongate material modification 142 is or comprises a groove
  • the elongate material modifications 142 on the surface 104 each extend along a longitudinal center axis 144 which is oriented parallel or transverse to the longitudinal direction 138 and/or the longitudinal center axis 136 of the workpiece 102 .
  • a geometric shape and/or an intensity profile of the focus elements 122 is in particular Bessel-like and/or quasi-non-diffractive and/or elongate (cf. FIG. 9).
  • the focus elements 122 are elongate parallel to a longitudinal central axis 145 along which they extend.
  • the longitudinal center axis 145 is oriented at least approximately parallel to the main propagation direction 128 of the laser beams assigned to the respective focus elements 122 .
  • the respective central longitudinal axis 145 of the focus elements 122 is not necessarily formed in a straight line or approximately in a straight line, but can in principle also be curved.
  • the focus elements 122 are arranged in such a way that the longitudinal central axis 145 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the surface 104 (the course of the surface 104 parallel to the longitudinal direction 138 is indicated in FIG. 9 by the dashed line).
  • FIG. 7a shows a simulated intensity distribution of a cross section of a focus element 122, with an associated cross-sectional plane being oriented perpendicular to the main propagation direction 128 and/or perpendicular to the longitudinal central axis 145 and/or tangential to the surface 104.
  • the cross section of Focus element 122 is symmetrical and, for example, circular.
  • the elongated material modifications 142 and/or grooves 143 on the surface 104 can be formed with a circular cross-sectional contour 146, ie the cross-sectional contour 146 lies at least in sections on a circle.
  • the cross section of the focus element 122 has an asymmetrical and, for example, elliptical shape.
  • the elongated material modifications 142 and/or grooves 143 on the surface can be formed with a sinusoidal cross-sectional contour 146, for example.
  • the cross section of the focus element has a preferred direction 147 in the case of an asymmetric shape.
  • This preferred direction 147 is to be understood in particular as a direction in which an extension length of the focus distribution 124 is maximized locally or globally.
  • the preferred direction 147 is to be understood as meaning a main extension direction of the focus distribution 124 .
  • the preferred direction 147 is oriented parallel to a major semi-axis of an associated ellipse.
  • a cross-sectional contour 146 and/or a cross-sectional geometry of the elongated material modifications 142 and/or grooves 143 produced with the focus elements can be defined by adapting the cross section of the focus elements 122.
  • FIG. 8a shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 122 spaced apart from one another, with an associated cross-sectional plane being parallel to the main propagation direction 128 and/or perpendicular to the surface 104 of the workpiece 102 is oriented.
  • the focus elements 122 shown have a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
  • the main propagation direction 128 is oriented parallel to the z-axis in the example shown in FIG. 8a.
  • FIG. 8b shows a simulated phase distribution which is assigned to the focus elements 122 shown in FIG. 8a.
  • the gray scale ranges from white (phase + Pi) to black (phase -Pi).
  • FIG. 9 shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 122 spaced apart from one another, with an associated cross-sectional plane being oriented parallel to the main propagation direction 128 and/or perpendicular to the surface 104 of the workpiece 102.
  • the focus elements 122 shown have an elongated shape and/or an elongated intensity distribution.
  • the shape or intensity distribution of the focus elements is based on a Bessel-like and/or quasi-non-diffracting beam profile.
  • the focus elements 122 each extend along the associated longitudinal central axis 144, which is oriented transversely and, in particular, perpendicularly to the surface 104 of the workpiece 102.
  • the beam-shaping device 126 and/or the beam-splitting element 108 can be set up in such a way that the focus elements 122 formed have an intensity profile which, starting from an intensity maximum 148 with respect to a main extension direction 150 and/or main extension axis, has an abrupt drop in intensity (Fig. 10a and 10b). Such beams are also referred to as abruptly autofocusing beams.
  • the main extension direction 150 is in particular oriented at least approximately parallel to the main propagation direction 128 and/or to a longitudinal center axis 145 of the focus element 122.
  • a plurality of focus elements 122 spaced apart from one another can be formed with an abruptly self-focusing intensity profile.
  • the intensity profile has an intensity drop edge 152 starting from the intensity maximum 148 in the main extension direction 150.
  • Intensity maximum 148 is, in particular, a main maximum and/or global maximum of the intensity profile of this exemplary embodiment of focus element 122.
  • the intensity profile has one or more secondary maxima 154, which, proceeding from intensity maximum 148 counter to main extension direction 150, follow intensity maximum 148.
  • the secondary maxima 154 each have lower maximum intensity values as the distance from the intensity maximum 148 with respect to the main extension direction 150 increases.
  • the device 100 works as follows:
  • the input laser beam 110 is provided by the laser source 112 and coupled into the beam splitting element 108, with a beam shaping of the input laser beam 110 being optionally carried out by means of the Beam shaping device 126 can take place before it is coupled into the beam splitting element 108 .
  • the input laser beam 110 is split into the partial beams 118 by means of the beam splitting element 108, wherein the beam splitting element can also be used to polarize the partial beams 118 and/or further beam shaping.
  • the focusing optics 120 focus the partial beams 118 in order to form the focus elements 122 .
  • the focus distribution and/or positioning of the focus elements 122 formed can be defined by means of the beam splitting element 108 and/or the beam shaping device 126.
  • a plurality of focus elements 122 are arranged at a distance from one another on the surface 104 or in the area of the surface 104, so that the material 106 of the workpiece 102 interacts with the focus elements 122 there.
  • the focus elements 122 can be positioned at a distance in the circumferential direction 140 and/or in the longitudinal direction 138 of the surface 104 or of the workpiece 102 (cf. FIGS. 5a, 5b and 6).
  • the material 106 is modified, i.e. the laser radiation assigned to the focus elements 122 interacts with the material 106 in order to modify and, in particular, to remove it.
  • the interaction can include linear and/or non-linear absorption processes.
  • the material 106 is heated by the energy of the laser radiation absorbed at the focus elements 122 in accordance with the shape and/or the intensity profile of the respective focus element.
  • the material 106 can change to a temporary plasma state.
  • part of the material 106 can be detached from the composite of the material 106, for example by melting or evaporating.
  • the interaction between the focus elements 122 and the material 106 enables in particular machining processes which, for example, as Laser drilling, percussion drilling or laser ablation are known.
  • material modifications can also be incorporated into or applied to the material 106 as a result of the interaction.
  • the material 106 is moved in particular relative to the focus elements 122, wherein the relative movement can include in particular a translational movement parallel to the longitudinal center axis 136 and/or to the longitudinal direction 138, and/or a rotational movement about the longitudinal center axis 136 and/or along the circumferential direction 140.
  • This enables, for example, grooves 143 to be formed on the surface 104, which, for example, are parallel or extend transversely to the longitudinal direction 136 and/or are spaced apart from one another along the circumferential direction 140 .
  • a plurality of focus elements 122 spaced apart along the circumferential direction 140 are provided, which in particular enables a parallel formation of elongate material modifications 142 spaced apart in the circumferential direction 140 (FIGS. 1 and 5a).
  • a plurality of focus elements 122 spaced apart in the longitudinal direction 138 can be provided (FIG. 5b). In this way, in particular, longer spatial sections in the longitudinal direction of an elongate material modification 142 can be formed in one work step.
  • the focus elements 122 preferably have a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
  • a focus element 122 is provided or a plurality of focus elements 122 spaced apart in the longitudinal direction 138 are provided, in which case the focus elements 122 lie in particular in a plane oriented perpendicular to the surface 104, i.e. in a plane which is oriented perpendicular to a tangential plane to the surface 104 at the respective positions of the focus elements 122.
  • the focus elements 122 spaced apart in the longitudinal direction 138 at least partially overlap.
  • a plurality of elongate material modifications 142 are formed on the surface 104, which extend parallel or transversely extend to the longitudinal direction 138 and/or which are spaced apart in the circumferential direction 140 .
  • the focus elements 122 are preferably elongate, with the longitudinal central axis 145 being oriented transversely and in particular perpendicularly to the surface 104 (cf. FIG. 9).
  • respective central areas 155 of the focus elements 122 are positioned on the surface 104 or in the area of the surface 104 .
  • the central region is to be understood in particular as meaning a region arranged in a center of the elongate focus element 122 with respect to the longitudinal central axis 145 .
  • the surface 104 is moved in the longitudinal direction 138 and in the circumferential direction 140 relative to the respective positions of the focus elements 122 .
  • the relative movement between the focus elements 122 and the surface 104 includes a superposition of a relative movement in the longitudinal direction 138 and in the circumferential direction 140.
  • the cylindrical workpiece 102 is moved parallel to the longitudinal center axis 136 and rotated about the longitudinal center axis.
  • a particular focal element 122 on the surface 104 moves on a spiral trajectory 156 (indicated in Figure 6).
  • the laser beams or partial beams from which the focus elements 122 are formed or which are assigned to the focus elements 122 are pulsed laser beams.
  • the laser pulses assigned to the focus elements 122 are synchronized with the relative movement of the surface 104 in such a way that laser pulses impinging on the surface 104 at different times are assigned to specific elongate material modifications 142 to be formed and in particular to adjacent and/or spaced elongate material modifications 142 to be formed.
  • a temporally first laser pulse of a specific focus element 122 impinging on the surface 104 is a first elongated one
  • a second laser pulse one to the first elongate material modification 142a spaced apart in the circumferential direction 140 and a third laser pulse assigned to a third elongate material modification 142c spaced apart from the second elongate material modification 142b in the circumferential direction 140, etc.
  • a feed oriented parallel to the longitudinal direction 138 and/or longitudinal center axis 144 is, for example, 10 nm to 500 nm for each complete revolution of the workpiece 102.
  • the workpiece is rotated about the longitudinal center axis 136 at approximately 100 Hz, for example.
  • the diameter of the cylindrical workpiece is at least 0.1 mm and/or at most 1000 mm, preferably at least 0.5 mm and/or at most 20 mm.
  • a distance between elongate material modifications 142 adjacent to the surface 104 is, for example, at least 1 ⁇ m and/or at most 100 ⁇ m.
  • the elongate material modifications it is also possible for the elongate material modifications to be formed completely one after the other. For example, first the elongate material modification 142a is formed by moving the surface 104 relative to the focus elements 122 parallel to the longitudinal direction 138, then the surface 104 is moved in the circumferential direction 140 and the next elongate material modification 142b is formed, then the elongate material modification 142c, etc.
  • the elongate material modification 142a is formed by moving the surface 104 relative to the focus elements 122 parallel to the longitudinal direction 138, then the surface 104 is moved in the circumferential direction 140 and the next elongate material modification 142b is formed, then the elongate material modification 142c, etc.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (102), welches eine gekrümmte Oberfläche (104) aufweist, bei dem mittels eines Eingangslaserstrahls (110) mindestens ein Fokuselement (122) bereitgestellt wird, die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) mit dem mindestens einen Fokuselement (122) beaufschlagt wird und das mindestens eine Fokuselement (122) relativ zu der Oberfläche (104) bewegt wird, wobei das mindestens eine Fokuselement (122) parallel zu einer Längsmittelachse (145) des mindestens einen Fokuselements (122) eine längliche Form aufweist, die Längsmittelachse (145) des mindestens einen Fokuselements (122) quer und insbesondere senkrecht zu der Oberfläche (104) des Werkstücks (102) orientiert ist und wobei mittels des mindestens einen Fokuselements (122) ein Material (106) des Werkstücks (102) an der Oberfläche (104) abgetragen und/oder modifiziert wird.

Description

Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, welches eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, welches eine Laserbearbeitung des Werkstücks mit erhöhter Effizienz und erhöhter Zuverlässigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels eines Eingangslaserstrahls mindestens ein Fokuselement bereitgestellt wird, die Oberfläche des Werkstücks mit dem mindestens einen Fokuselement beaufschlagt wird und das mindestens eine Fokuselement relativ zu der Oberfläche bewegt wird, wobei das mindestens eine Fokuselement parallel zu einer Längsmittelachse des mindestens einen Fokuselements eine längliche Form aufweist, die Längsmittelachse des mindestens einen Fokuselements quer und insbesondere senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks orientiert ist und wobei mittels des mindestens einen Fokuselements ein Material des Werkstücks an der Oberfläche abgetragen und/oder modifiziert wird.
Zur ordnungsgemäßen Durchführung der Laserbearbeitung an dem Werkstück ist es wesentlich, dass das mindestens eine Fokuselement an der oder im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks positioniert ist, während die Oberfläche relativ zu dem mindestens einen Fokuselement bewegt wird, d.h. die Fokusposition der fokussierten Laserstrahlen, welche das Fokuselement ausbilden, sollte durchgehend an oder im Bereich der Oberfläche liegen.
Grundsätzlich können sich während der Durchführung des Bearbeitungsprozesses
Abweichungen zwischen der Position des Fokuselements und der Oberfläche ergeben, wodurch das Fokuselement für die jeweilige Anwendung beispielsweise zu weit oberhalb oder unterhalb der Oberfläche positioniert ist. Beispielsweise können solche Abweichungen aus Unebenheiten des Materials des Werkstücks an der Oberfläche, Ungenauigkeiten bei der Fokussierung von Laserstrahlen zur Ausbildung der Fokuselemente oder aus sich bei der Realisierung der Relativbewegung zwischen der Oberfläche und dem Fokuselement ergebenden Ungenauigkeiten resultieren.
Aufgrund der länglichen Form des Fokuselements erstreckt sich der fokussierte Strahlungsbereich, mittels welchem eine ordnungsgemäße Laserbearbeitung des Materials des Werkstücks an der Oberfläche möglich ist, mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung quer und insbesondere senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks. Es ergibt sich dadurch eine erhöhte Fokuslagentoleranz, was einen Ausgleich der vorstehend genannten Ungenauigkeiten bei der Durchführung des Verfahrens in einem gewissen Rahmen ermöglich. Dies führt zu einer erhöhten Stabilität und einer verringerten Störanfälligkeit des Verfahrens bei der Durchführung.
Aufgrund der verringerten Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung des mindestens einen Fokuselements können zudem erhöhte Geschwindigkeiten der Relativbewegung zwischen dem Fokuselement und der Oberfläche realisiert werden, wodurch sich das Verfahren mit einer erhöhten Effizienz durchführen lässt.
Darunter, dass das mindestens eine Fokuselement länglich ausgebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine Fokuselement eine Längsrichtung und/oder eine Längsmittelachse aufweist, entlang welcher es eine größte räumliche Ausdehnung hat.
Darunter, dass die Oberfläche des Werkstücks mit dem mindestens einen Fokuselement beaufschlagt wird, ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest ein räumlicher Abschnitt des mindestens einen Fokuselement mit dem Material des Werkstücks an der Oberfläche derart in Wechselwirkung gebracht wird, dass das Material dort modifiziert und insbesondere abgetragen wird. Insbesondere wird im Fall mehrerer Fokuselemente die Oberfläche zeitlich parallel und/oder gleichzeitig mit den zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildeten Fokuselementen beaufschlagt.
Eine Wechselwirkung zwischen dem mindestens einen Fokuselement und dem Material des Werkstücks kann grundsätzlich eine lineare und/oder nichtlineare Absorption der dem mindestens einen Fokuselement zugeordneten Laserstrahlung durch das Material umfassen.
Insbesondere ist unter dem Fokuselement ein fokussierter Strahlungsbereich des Eingangslaserstrahls zu verstehen, welcher insbesondere eine bestimmte räumliche Ausdehnung aufweist, und/oder welcher insbesondere räumlich zusammenhängend ausgebildet ist. Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen eines bestimmten Fokuselements, wie z.B. eines Durchmessers, einer Länge oder einer räumlichen Ausdehnung des Fokuselements in einer bestimmten Richtung, werden nur Intensitätswerte betrachtet, welche oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, sodass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums des Fokuselements.
Insbesondere ist einem bestimmten Fokuselement jeweils ein räumlicher Wechselwirkungsbereich zugeordnet, in welchem das Fokuselement bzw. die dem Fokuselement zugeordnete Laserstrahlung mit dem Material des Werkstücks wechselwirkt, wenn es an diesem angeordnet wird. Insbesondere wechselwirkt das Fokuselement in diesem Wechselwirkungsbereich mit dem Material durch lineare und/oder nichtlineare Absorption.
Günstig kann es sein, wenn das mindestens eine Fokuselement eine Bessel- artige Form und/oder ein Bessel-artiges Intensitätsprofil aufweist. Es lässt sich dadurch das mindestens eine Fokuselement auf technisch einfache weise mit länglicher Form ausbilden. Bei einer Ausführungsform kann das mindestens eine Fokuselement eine Form und/oder ein Intensitätsprofil eines abrupt-selbstfokussierenden Strahls (abruptly autofocusing beam) aufweisen. Insbesondere weist das mindestens eine Fokuselement entlang einer Haupterstreckungsrichtung ein Intensitätsprofil auf, welches ausgehend von einer Maximalintensität an einem Intensitätsmaximum des Intensitätsprofils auf das l/e2-Fache der Maximalintensität um näherungsweise einen Faktor 3 schneller abfällt als dies bei einem gaußförmigen Intensitätsprofil der Fall ist.
Durch den schnellen Intensitätsabfall dieser abrupt-selbstfokussierenden Fokusverteilungen ergibt sich eine präzisere Materialbearbeitung bei verringerter Beschädigung des zu bearbeitenden Materials. Das Material lässt sich dadurch insbesondere mit einer besonderes ebenen und/oder glatten Kante bearbeiten.
Beispielsweise ist der Intensitätsabfall von der Maximalintensität auf das 1/e2- Fache der Maximalintensität um mindestens einen Faktor 2,5 schneller und/oder um höchstens einen Faktor 3,5 schneller als dies bei einem gaußförmigen Intensitätsprofil der Fall ist.
Insbesondere weist das Intensitätsprofil ausgehend von dem Intensitätsmaximum in Haupterstreckungsrichtung eine Intensitätsabfallflanke auf, an welcher der Intensitätsabfall ausgebildet ist. Insbesondere liegt die Intensität des Intensitätsprofils in Haupterstreckungsrichtung auf die Intensitätsabfallflanke folgend unter dem Wert des l/e2-Fachen der Maximalintensität.
Vorzugsweise ist die Intensitätsabfallflanke bei der Laserbearbeitung des Werkstücks dem Material der Oberfläche zugewandt oder in dem Material positioniert.
Das genannte Intensitätsmaximum ist insbesondere ein Hauptmaximum und/oder globales maximum des Intensitätsprofils. Insbesondere weist das Intensitätsprofil ein oder mehrere Nebenmaxima auf, welche sich an das Intensitätsmaximum entgegen der Haupterstreckungsrichtung anschließen. Insbesondere nimmt eine jeweilige Maximalintensität der Nebenmaxima mit zunehmendem Abstand zu dem Hauptmaximum ab.
Beispielsweise weist das mindestens eine Fokuselement parallel zu seiner Längsmittelachse eine räumliche Ausdehnung von mindestens 5 pm und/oder höchstens 1000 pm und bevorzugt von mindestens 10 pm und/oder höchstens 500 pm auf.
In einem zur Längsmittelachse senkrecht orientierten Querschnitt weist das mindestens eine Fokuselement eine maximale räumliche Ausdehnung von mindestens 0,5 pm und/oder höchstens 10 pm, bevorzugt von mindestens 1 pm und/oder höchstens 5 pm und besonders bevorzugt von ca. 2,2 pm auf.
Günstig kann es sein, wenn mehrere Fokuselemente bereitgestellt werden, welche parallel zu einer Längsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche beabstandet sind, wobei die Oberfläche parallel zur Längsrichtung eben ausgebildet ist und wobei insbesondere die Oberfläche des Werkstück gleichzeitig mit den Fokuselementen beaufschlagt wird. Es lassen sich dadurch insbesondere mehrere Abschnitte einer an der Oberfläche des Werkstücks auszubildenden länglichen Modifikation gleichzeitig ausbilden. Hieraus ergibt sich eine erhöhte Geschwindigkeit und Effizienz des Verfahrens.
Darunter, dass die Oberfläche des Werkstücks parallel zur Längsrichtung eben ausgebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Oberfläche in Längsrichtung eine Krümmung von zumindest näherungsweise Null aufweist, und/oder dass ein Krümmungsradius der Oberfläche in Längsrichtung größer als 1 m und insbesondere größer als 10 m und insbesondere größer als 100 m und insbesondere "unendlich" groß ist, und/oder dass die Oberfläche in Längsrichtung ungekrümmt ist. Insbesondere steht die Angabe "ebene Oberfläche" nicht in Zusammenhang mit einer Beschaffenheit und insbesondere mikroskopischen Beschaffenheit der Oberfläche, wie beispielsweise einer Rauheit der Oberfläche.
Beispielsweise werden die Fokuselemente zueinander benachbart und/oder aneinander angrenzend angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass sich die Fokuselemente zumindest teilweise überlappen. Darunter, dass die Fokuselemente parallel zur Längsrichtung bzw. Umfangsrichtung des Werkstücks beabstandet sind, ist insbesondere zu verstehen, dass eine Abstandsrichtung zwischen den Fokuselementen zumindest eine von Null verschiedene Komponente aufweist, welche parallel zur Längsrichtung bzw. Umfangsrichtung orientiert ist.
Beispielsweise liegen die Fokuselemente in einer Ebene, welche insbesondere parallel zur Längsrichtung orientiert ist oder in welcher eine zur Längsrichtung parallele Längsmittelachse des Werkstücks liegt, und/oder welche parallel zu einer Haupt-Propagationsrichtung von Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen, aus welchen die Fokuselemente gebildet sind, orientiert ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zur Bereitstellung der Fokuselemente der Eingangslaserstrahl mittels eines Strahlteilungselements in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird und aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelte Teilstrahlen fokussiert werden, um die Fokuselemente auszubilden. Es lassen sich dadurch die Fokuselemente als Kopien zueinander ausbilden. Insbesondere lassen sich dadurch die Fokuselemente auf technisch einfache Weise an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abständen an oder im Bereich der Oberfläche des Werkstücks positionieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass durch Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement und der Oberfläche an der Oberfläche mehrere längliche Modifikationen und insbesondere mehrere Rillen ausgebildet werden, welche in einer Umfangsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche zueinander beabstandet sind, wobei die Oberfläche des Werkstücks entlang der Umfangsrichtung gekrümmt ist.
Ein maximaler Querschnittsdurchmesser einer bestimmten länglichen Modifikation in einem zur Oberfläche senkrechten Querschnitt beträgt beispielsweise mindestens 1 pm und/oder höchstens 10 pm. Ein Abstand zwischen an der Oberfläche in Umfangsrichtung benachbarten Rillen beträgt beispielsweise mindestens 1 pm und/oder höchstens 100 mm und bevorzugt mindestens 5 pm und/oder höchstens 100 pm.
Darunter, dass die Oberfläche in Umfangsrichtung gekrümmt ist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Oberfläche in Umfangsrichtung eine von Null verschiedene Krümmung aufweist, und/oder dass die Oberfläche in Umfangsrichtung einen endlichen Krümmungsradius aufweist, und/oder dass die Oberfläche entlang der Umfangsrichtung nicht eben ist.
Insbesondere weist die Oberfläche in Umfangsrichtung eine maximale Krümmung auf.
Die länglichen Materialmodifikationen erstrecken sich insbesondere entlang einer Längsmittelachse, welche quer und insbesondere senkrecht zur Umfangsrichtung orientiert ist, und/oder welche parallel oder quer zu einer Längsrichtung des Werkstücks orientiert ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement und der Oberfläche des Werkstücks eine Bewegung parallel zu einer Längsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche umfasst, wobei die Oberfläche parallel zur Längsrichtung eben ausgebildet ist. Dies ermöglicht beispielsweise eine linienartige Abtragung von Material an der Oberfläche. Es lassen sich dadurch an der Oberfläche längliche Modifikationen und insbesondere Rillen ausbilden, welche sich parallel zur Längsrichtung erstrecken.
Zumindest ist die Oberfläche parallel zur Längsrichtung in einem Bereich eben, in welchem eine Beaufschlagung des Werkstücks mit dem mindestens einen Fokuselement zur Durchführung einer Laserbearbeitung erfolgt.
Günstig kann es sein, wenn eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement und der Oberfläche des Werkstücks eine Bewegung in einer Umfangsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche umfasst, wobei die Oberfläche des Werkstücks entlang der Umfangsrichtung gekrümmt ist. Dadurch lassen sich an der Oberfläche längliche Modifikationen und insbesondere Rillen ausbilden, welche sich parallel oder quer zur Längsrichtung des Werkstücks erstrecken. Beispielsweise können dadurch auf effiziente Weise mehrere längliche Modifikationen ausgebildet werden, welche in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind.
Beispielsweise wird die Relativbewegung in Umfangsrichtung durch Rotation des Werkstücks und/oder der Oberfläche um eine zur Längsrichtung parallele Längsmittelachse des Werkstücks realisiert.
Insbesondere umfasst die Relativbewegung eine Überlagerung einer Bewegung in Längsrichtung und in Umfangsrichtung der Oberfläche relativ zu dem mindestens einen Fokuselement. Beispielsweise ist eine Trajektorie des mindestens einen Fokuselements auf der Oberfläche spiralförmig ausgebildet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Eingangslaserstrahl ein gepulster Laserstrahl ist und wenn eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselemente und der Oberfläche derart angepasst ist, dass Laserpulse, aus welchen das mindestens eine Fokuselement zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet ist, jeweils in einer Umfangsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche beabstandet auf die Oberfläche treffen, um an der Oberfläche in Umfangsrichtung beabstandete längliche Modifikationen und insbesondere Rillen auszubilden, wobei die Oberfläche des Werkstücks entlang der Umfangsrichtung gekrümmt ist.
Insbesondere treffen die zu unterschiedlichen Zeiten vorliegenden Laserpulse eines bestimmten Fokuselements aufgrund der Relativbewegung an unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche auf.
Insbesondere liegen in Pausenzeiten zwischen zeitlich benachbarten Laserpulsen keine Fokuselemente vor bzw. es liegt an einer Position des Fokuselements kein fokussierter Strahlungsbereich vor, sodass keine Laserbearbeitung des Materials erfolgen kann. Insbesondere sind die zu unterschiedlichen Zeiten vorliegenden Laserpulse gleichartig ausgebildet und/oder weisen gleichartige Eigenschaften auf, wie z.B. Pulsdauer, Wellenlänge, etc.
Insbesondere werden mittels den Laserpulsen, aus welchen das mindestens eine Fokuselement zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet ist und/oder welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf die Oberfläche treffen, jeweils zumindest Abschnitte von verschiedenen länglichen Modifikationen, welche in Umfangsrichtung beabstandet sind, ausgebildet.
Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn die Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement und der Oberfläche derart synchronisiert ist, dass mittels zeitlich aufeinanderfolgender Laserpulse an der Oberfläche jeweils zumindest Abschnitte von länglichen Modifikationen und insbesondere Rillen ausgebildet werden, welche in Umfangsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche zueinander beabstandet sind.
Insbesondere sind die länglichen Modifikationen in Umfangsrichtung zueinander benachbart.
Insbesondere sind zeitlich aufeinanderfolgende Laserpulse jeweils auszubildenden länglichen Modifikationen, welche in Umfangsrichtung beabstandet und/oder benachbart sind, zugeordnet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine geometrische Form und/oder ein Intensitätsprofil des mindestens einen Fokuselements in einem Querschnitt einstellbar ist oder eingestellt wird, um eine Geometrie einer mittels des mindestens einen Fokuselements ausgebildeten Modifikation und insbesondere länglichen Modifikation und/oder eines mittels des mindestens einen Fokuselements bewirkten Abtrags des Materials des Werkstücks an der Oberfläche zu definieren. Der Querschnitt ist hierbei an einer Position der Oberfläche, an welcher diese mittels des jeweiligen Fokuselements beaufschlagt wird, tangential zur Oberfläche des Werkstücks orientiert, d.h. eine Ebene des Querschnitts liegt an dieser Position tangential zur Oberfläche. Alternativ oder zusätzlich kann der Querschnitt senkrecht zu einer jeweiligen Längsmittelachse des mindestens einen Fokuselements orientiert sein. Es lässt sich dadurch auf technisch einfache Weise die Querschnittsgeometrie der zugeordneten Modifikation an der Oberfläche definieren. Beispielsweise lässt sich dadurch die Querschnittsgeometrie einer mittels des mindestens einen Fokuselements auszubildenden länglichen Modifikation und insbesondere Rille definieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die geometrische Form des mindestens einen Fokuselements in dem Querschnitt eine Vorzugsrichtung aufweist, entlang welcher das mindestens eine Fokuselement in dem Querschnitt eine größte räumliche Ausdehnung aufweist, und/oder dass die geometrische Form des mindestens einen Fokuselements in dem Querschnitt asymmetrisch und insbesondere elliptisch ist.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass das mindestens eine Fokuselement in dem zu seiner Längsmittelachse senkrecht orientierten Querschnitt ein Top-Hat- Profil aufweist und/oder rechteckig ausgebildet ist und/oder quadratisch ausgebildet ist.
Im Fall eines Fokuselements mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil ist unter der Längsmittelachse insbesondere eine zu einer Haupt- Propagationsrichtung von Laserstrahlen und/oder Teilstrahlen, aus welchen das jeweilige Fokuselement gebildet ist, parallele Achse des Fokuselements zu verstehen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks mittels des mindestens einen Fokuselements an der Außenseite abgetragen wird und/oder strukturiert wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass an der Oberfläche des Werkstücks mindestens eine längliche Modifikation und insbesondere mindestens eine Rille ausgebildet wird, wobei insbesondere eine Längsmittelachse der mindestens einen länglichen Modifikation zumindest komponentenweise parallel zu einer Längsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche orientiert ist, wobei die Oberfläche entlang der Längsrichtung eben ist. Darunter, dass die Längsmittelachse der mindestens einen länglichen Modifikation zumindest komponentenweise parallel zu einer Längsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche orientiert ist, ist insbesondere zu verstehen, dass eine Richtung der Längsmittelachse zumindest eine von Null verschiedene Komponente aufweist, welche parallel zur Längsmittelachse orientiert ist.
Eine Längsmittelachse der länglichen Materialmodifikation ist insbesondere parallel oder quer zur Längsrichtung und/oder zur Längsmittelachse des Werkstücks orientiert.
Beispielsweise sind das Werkstück und/oder die Oberfläche des Werkstücks zylinderförmig ausgebildet sind.
Beispielsweise ist die Oberfläche des Werkstücks konvex gekrümmt ist.
Insbesondere ist dem Werkstück und/oder der Oberfläche des Werkstücks eine Längsrichtung zugeordnet, wobei die Oberfläche entlang der Längsrichtung eben ist.
Insbesondere ist dem Werkstück und/oder der Oberfläche des Werkstücks eine Umfangsrichtung zugeordnet, wobei die Oberfläche entlang der Umfangsrichtung gekrümmt ist.
Insbesondere ist die Längsrichtung des Werkstücks und/oder der Oberfläche senkrecht zur Umfangsrichtung des Werkstücks bzw. der Oberfläche orientiert.
Insbesondere weist das Werkstück eine zur Längsrichtung parallele Längsmittelachse auf, wobei eine Drehung des Werkstücks um die Längsmittelachse eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement und der Oberfläche in Umfangsrichtung der Oberfläche bewirkt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine dem mindestens einen Fokuselement zugeordnete Haupt-Propagationsrichtung von Laserstrahlen und/oder Teilstrahlen, aus welchen das mindestens eine Fokuselement gebildet ist, quer und insbesondere senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks orientiert ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine dem mindestens einen Fokuselement zugeordnete Haupt-Propagationsrichtung von Laserstrahlen und/oder Teilstrahlen, aus welchen das mindestens eine Fokuselement gebildet ist, zumindest näherungsweise parallel zur Längsmittelachse des mindestens einen Fokuselements orientiert ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Werkstück an der Oberfläche ein für den Eingangslaserstrahl und/oder für einen Laserstrahl, aus welchem das mindestens eine Fokuselement ausgebildet ist, teiltransparentes oder opakes Material aufweist.
Insbesondere weist das Werkstück an der Oberfläche ein Material auf, durch welches höchstens 30 % und insbesondere höchstens 20 % und insbesondere höchstens 10 % einer Laserenergie des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem das mindestens eine Fokuselement gebildet ist, transmittiert wird.
Das Material des Werkstücks an der Oberfläche ist oder umfasst beispielsweise ein metallisches Material, wie z.B. Aluminium oder Edelstahl.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem das mindestens eine Fokuselement ausgebildet ist, ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist.
Ein jeweiliges Fokuselement wird dann mittels Laserpulsen des gepulsten Laserstrahls realisiert, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegen und welche Teilstrahlen zugeordnet sind, durch deren Fokussierung das jeweilige Fokuselement ausgebildet wird.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein beugendes Strahlprofil und/oder ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder der Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Laserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 1 pJ und/oder höchstens 10 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von näherungsweise 10 ns bis 100 ns aufweisen.
Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;
Fig. 2a eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des Werkstücks;
Fig. 2b eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Werkstücks; Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Oberfläche des Werkstücks mit daran angeordneten Fokuselementen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Strahlformungseinrichtung zur Strahlformung eines Eingangslaserstrahls;
Fig. 5a eine schematische Darstellung einer Variante einer Positionierung von an der Oberfläche des Werkstücks angeordneten Fokuselementen;
Fig. 5b eine schematische Darstellung einer weiteren Variante einer Positionierung von an der Oberfläche des Werkstücks angeordneten Fokuselementen;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Werkstücks, welches mittels Fokuselementen bearbeitet wird;
Fig. 7a eine simulierte Intensitätsverteilung eines zur Oberfläche des Werkstücks tangentialen Querschnitts eines Fokuselements mit symmetrischer Intensitätsverteilung und einen Querschnitt einer mittels dieses Fokuselements ausgebildeten Modifikation an der Oberfläche des Werkstücks;
Fig. 7b eine simulierte Intensitätsverteilung eines zur Oberfläche des Werkstücks tangentialen Querschnitts eines Fokuselements mit asymmetrischer Intensitätsverteilung und einen Querschnitt einer mittels dieses Fokuselements ausgebildeten Modifikation am Werkstück;
Fig. 8a eine simulierte Intensitätsverteilung eines zur Oberfläche des Werkstücks senkrechten Querschnitts von gaußförmigen Fokuselementen; Fig. 8b eine den in Fig. 8a gezeigten Fokuselementen zugeordnete Phasenverteilung von aus einem Strahlteilungselement der Vorrichtung ausgekoppelten Teilstrahlen;
Fig. 9 eine simulierte Intensitätsverteilung eines zur Oberfläche des Werkstücks senkrechten Querschnitts von länglichen und/oder Bessel-artigen Fokuselementen;
Fig. 10a eine simulierte Intensitätsverteilung eines zur Oberfläche des Werkstücks senkrechten Querschnitts von abruptselbstfokussierenden Fokuselementen; und
Fig. 10b eine den Fokuselementen gemäß Fig. 10a zugeordnete Intensitätsverteilung.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Das Werkstück 102 weist eine gekrümmte Oberfläche 104 auf. Mittels der Vorrichtung 100 lässt sich ein Material 106 des Werkstücks 102 an der Oberfläche 104 bearbeiten und insbesondere abtragen.
Das Material 106 ist insbesondere ein für eine Wellenlänge, mit welcher eine Laserbearbeitung erfolgt, teiltransparentes oder opakes Material. Beispielsweise ist oder umfasst das Material 106 ein Metallmaterial, wie z.B. Stahl und/oder Edelstahl und/oder Aluminium.
Beispielsweise ist das Werkstück 102 zylinderförmig und/oder rohrförmig ausgebildet, wobei die Oberfläche 104 in einer Mantelfläche des zylinderförmigen Werkstücks 102 liegt (Fig. 2a). Ein der Oberfläche 104 zugeordneter Radius R des Werkstücks 102 ist nicht notwendigerweise konstant, sondern kann beispielsweise Stufen und/oder Sprünge aufweisen (Fig. 2b). Die Vorrichtung umfasst ein Strahlteilungselement 108, in welches ein Eingangslaserstrahl 110 eingekoppelt wird. Dieser Eingangslaserstrahl 110 wird beispielsweise mittels einer Laserquelle 112 bereitgestellt. Beispielsweise ist der Eingangslaserstrahl 110 ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl.
Unter dem Eingangslaserstrahl 110 ist insbesondere ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl insbesondere parallel verlaufender Strahlen umfasst. Der Eingangslaserstrahl 110 weist insbesondere einen transversalen Strahlquerschnitt 114 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher der Eingangslaserstrahl 110 auf das Strahlteilungselement 108 trifft.
Der auf das Strahlteilungselement 108 treffende Eingangslaserstrahl 110 weist insbesondere zumindest näherungsweise ebene Wellenfronten 116 auf.
Mittels des Strahlteilungselements 108 wird der Eingangslaserstrahl 108 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 118 und/oder Teilstrahlenbündeln aufgeteilt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind zwei voneinander verschiedene Teilstrahlen 118a und 118b angedeutet.
Die aus dem Strahlteilungselement 108 ausgekoppelten Teilstrahlen 118 bzw. Teilstrahlenbündel weisen insbesondere ein divergentes Strahlprofil auf. Insbesondere ist das Strahlteilungselement 108 als Fernfeldstrahlformungselement ausgebildet.
Zur Fokussierung der aus dem Strahlteilungselement 108 ausgekoppelten Teilstrahlen 118 umfasst die Vorrichtung 100 eine Fokussieroptik 120, in welche die Teilstrahlen 118 eingekoppelt werden. Die Fokussieroptik 120 weist beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente auf. Beispielsweise ist die Fokussieroptik 120 als Mikroskopobjektiv ausgebildet.
Beispielsweise ist das Strahlteilungselement 108 zumindest näherungsweise in einer rückseitigen Brennebene der Fokussieroptik 120 angeordnet. Die Fokussieroptik 120 weist beispielsweise eine Brennweite zwischen 5 mm und 50 mm auf.
Insbesondere treffen voneinander verschiedene Teilstrahlen 118 mit einem Ortsversatz und/oder Winkelversatz auf die Fokussieroptik 120 auf.
Die Teilstrahlen 118 werden mittels der Fokussieroptik 120 fokussiert, sodass mehrere Fokuselemente 122 ausgebildet werden, welche jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, dass sich voneinander verschiedene und/oder zueinander benachbarte Fokuselemente 122 abschnittsweise räumlich überlappen.
Beispielsweise sind einem bestimmten Fokuselement 122 jeweils ein oder mehrere Teilstrahlen 118 und/oder Teilstrahlenbündel zugeordnet. Beispielsweise wird ein jeweiliges Fokuselement 122 durch Fokussierung ein oder mehrerer Teilstrahlen 118 und/oder Teilstrahlenbündel ausgebildet.
Unter einem Fokuselement 122 ist insbesondere ein fokussierter Strahlungsbereich zu verstehen, wie z.B. ein Fokusspot, ein Fokuspunkt oder eine Fokuslinie. Insbesondere weisen die Fokuselemente 122 jeweils eine bestimmte geometrische Form und/oder ein bestimmtes Intensitätsprofil auf, wobei unter der geometrischen Form beispielsweise eine räumliche Form und/oder räumliche Ausdehnung des jeweiligen Fokuselements 122 zu verstehen ist.
Die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil eines bestimmten Fokuselements 122 wird im Folgenden als Fokusverteilung 124 des Fokuselements 122 bezeichnet (Fig. 3). Die Fokusverteilung 124 ist eine Eigenschaft der jeweiligen Fokuselemente 122 und beschreibt deren Form und/oder Intensitätsprofil. Insbesondere weisen mehrere Fokuselemente 122 oder alle ausgebildeten Fokuselemente 122 dieselbe Fokusverteilung 124 auf.
Die Fokusverteilung 124 der ausgebildeten Fokuselemente 122 wird durch den Eingangslaserstrahl 110 definiert, durch dessen Aufteilung mittels des Strahlteilungselements 108 die Fokuselemente 122 ausgebildet werden. Würde der Eingangslaserstrahl 110 vor dessen Einkopplung in das Strahlteilungselement 108 fokussiert werden, so würde beispielsweise ein einziges Fokuselement mit der dem Eingangslaserstrahl 110 zugeordneten Fokusverteilung ausgebildet werden.
Beispielsweise weist der Eingangslaserstrahl 110, wenn dieser z.B. mittels der Laserquelle 112 bereitgestellt wird, ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 110 würde in diesem Fall ein Fokuselement ausgebildet werden, welches eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil aufweist.
Alternativ hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dem Eingangslaserstrahl 110 ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, sodass durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 110 ein Fokuselement ausgebildet werden würde, welches eine Fokusverteilung mit quasi-nichtbeugender bzw. Bessel-artiger Form und/oder quasi- nichtbeugendem bzw. Bessel-artigem Intensitätsprofil aufweist.
Den durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels des Strahlteilungselements 108 ausgebildeten Teilstrahlen 118 und/oder Teilstrahlenbündeln ist die Fokusverteilung des Eingangslaserstrahls 110 derart zugeordnet, dass durch Fokussierung der Teilstrahlen 118 die Fokuselemente 122 mit dieser Fokusverteilung und/oder mit einer auf dieser Fokusverteilung basierenden Fokusverteilung ausgebildet werden.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist der Eingangslaserstrahl 110 ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d. h. dem Eingangslaserstrahl 110 ist eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil zugeordnet. Die Fokuselemente 122 weisen dann beispielsweise jeweils die Fokusverteilung 124 mit dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil oder mit einer auf dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil basierenden Form bzw. basierendem Intensitätsprofil auf (angedeutet in Fig. 3). Falls dem Eingangslaserstrahl 110 beispielsweise ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, weisen die zur Laserbearbeitung des Werkstücks 102 ausgebildeten Fokuselemente 122 jeweils eine Fokusverteilung 124 mit diesem Bessel-artigen Strahlprofil oder mit einem auf diesem Bessel-artigen Profil basierenden Strahlprofil auf. Die Fokuselemente 122 lassen sich dadurch beispielsweise jeweils mit einer Fokusverteilung ausbilden, welche eine längliche Form und/oder ein längliches Intensitätsprofil aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Strahlformungseinrichtung 126 zur Strahlformung des Eingangslaserstrahls 110 aufweist. Beispielsweise ist diese Strahlformungseinrichtung 126 bezüglich einer Haupt-Propagationsrichtung 128 des Eingangslaserstrahls 110 vor dem Strahlteilungselement 108 angeordnet und/oder zwischen der Laserquelle 112 und dem Strahlteilungselement 108 angeordnet. Ein Ausführungsbeispiel der Strahlformungseinrichtung 126 ist in Fig. 4 gezeigt.
Insbesondere wird mittels der Strahlformungseinrichtung 126 dem in das Strahlteilungselement 108 eingekoppelten Eingangslaserstrahl 110 ein bestimmtes Strahlprofil zugeordnet, wodurch sich insbesondere die dem Eingangslaserstrahl 110 zugeordnete Fokusverteilung vor dessen Einkopplung in die Strahlteilungseinrichtung 108 anpassen lässt. Insbesondere lässt sich mittels der Strahlformungseinrichtung 126 die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil der dem Eingangslaserstrahl 110 zugeordneten Fokusverteilung definieren.
Beispielsweise ist die Strahlformungseinrichtung 126 derart eingerichtet und ausgebildet, dass dem in das Strahlteilungselement 108 eingekoppelten Eingangslaserstrahl 108 ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet wird. Die Fokuselemente 122 weisen dann beispielsweise jeweils eine Fokusverteilung 124 mit diesem quasi-nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil oder mit einem auf diesem quasi-nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil basierendes Strahlprofil auf.
Hinsichtlich der Definition und der Realisierung quasi-nichtbeugender und/oder Bessel-artiger 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 sowie auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012 und "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" von K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics], 8. November 2019, verwiesen.
Die Strahlformungseinrichtung 126 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ein Strahlformungselement 130, mittels welchem eine Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt 114 des Eingangslaserstrahls 110 erfolgt. Es lässt sich dadurch die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil der dem Eingangslaserstrahl 110 zugeordneten Fokusverteilung definieren.
Das Strahlformungselement 130 ist beispielsweise als diffraktives optisches Element und/oder als Axiconelement ausgebildet, um dem Eingangslaserstrahl 108 ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil zuzuordnen.
Das Strahlformungselement 130 ist bei dem gezeigten Beispiel als Nahfeldstrahlformungselement ausgebildet.
Beispielsweise wird mittels des Strahlformungselements 130 ein Zwischenbild 132 der dem in das Strahlteilungselement 108 eingekoppelten Eingangslaserstrahl 110 zugeordneten Fokusverteilung ausgebildet. Dieses Zwischenbild ist bezüglich der Haupt-Propagationsrichtung 128 zwischen dem Strahlformungselement 130 und dem Strahlteilungselement 108 positioniert.
Insbesondere ist dem Strahlformungselement 130 eine Fernfeldoptik 134 zugeordnet, mittels welcher eine Fernfeldfokussierung des aus dem Strahlformungselement 130 ausgekoppelten Eingangslaserstrahls 110 in eine Brennebene (nicht gezeigt) der Fernfeldoptik 134 erfolgt. Insbesondere erfolgt mittels der Fernfeldoptik 134 eine Fernfeldfokussierung des Zwischenbilds 132 in die Brennebene. Insbesondere ist das Strahlteilungselement 108 in der genannten Brennebene angeordnet. Es ist beispielsweise auch möglich, dem in das Strahlteilungselement 108 eingekoppelten Eingangslaserstrahl 110 mittels der Strahlformungseinrichtung 126 eine Form und/oder ein Intensitätsprofil eines abrupt-selbstfokussierenden Strahls zuzuordnen. Hinsichtlich der Ausbildung und Eigenschaften derartiger Strahlen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Abruptly autofocusing waves" von Efremidis, Nikolaos K., and Demetrios N. Christodoulides, Optics letters 35.23 (2010): 4045-4047 und "Observation of abruptly autofocusing waves" von Papazoglou et al., Optics letters 36.10 (2011): 1842-1844, verwiesen.
Durch Strahlteilung mittels des Strahlteilungselements 108 werden die Fokuselemente 122 insbesondere jeweils identisch zueinander und/oder jeweils als Kopien zueinander ausgebildet. Vorzugsweise ist das Strahlteilungselement 106 als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D- Strahlteilungselement.
Hinsichtlich der technischen Realisierung und Eigenschaften des als 3D- Strahlteilungselement ausgeführten Strahlteilungselements 108 wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119vl [physics. optics], 18. Dezember 2020, verwiesen.
Zur Durchführung der Strahlteilung wird bei einer Ausführungsform des Strahlteilungselements 108, bei welcher das Strahlteilungselement 108 beispielsweise als 3D-Strahlteilungselement ausgeführt ist, auf den transversalen Strahlquerschnitt 114 des Eingangslaserstrahls 110 eine definierte transversale Phasenverteilung aufgeprägt. Unter einem transversalen Strahlquerschnitt bzw. einer transversalen Phasenverteilung ist insbesondere ein Strahlquerschnitt bzw. eine Phasenverteilung in einer zur Haupt-Propagationsrichtung 128 des Eingangslaserstrahls 110 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene zu verstehen.
Die zueinander beabstandeten Fokuselemente 122 werden durch Interferenz der fokussierten Teilstrahlen 118 ausgebildet, wobei beispielsweise konstruktive Interferenz, destruktive Interferenz oder Zwischenfälle hiervon auftreten können, wie z.B. teilweise konstruktive oder teilweise destruktive Interferenz.
Jedem der ausgebildeten Fokuselemente 122 lässt sich mittels des Strahlteilungselements 108 eine bestimmte örtliche Position xo, yo, zo zuordnen, an welcher ein jeweiliges Fokuselement 122 an der Oberfläche 104 des Werkstücks 106 angeordnet ist (Fig. 5a und 5b). Beispielsweise ist unter der örtlichen Position eines bestimmten Fokuselements 122 die Position seines räumlichen Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts zu verstehen.
Weiter lässt sich jedem der ausgebildeten Fokuselemente 122 mittels des Strahlteilungselements 108 eine bestimmte Intensität Io zuordnen.
Mittels des Strahlteilungselements 108 lässt sich somit sowohl die örtliche Position xo, yo, zo als auch die Intensität Io eines jeweiligen Fokuselements 122 einstellen.
Zur Ausbildung der Fokuselemente 122 an der jeweiligen Position xo, yo, zo weist die mittels des Strahlteilungselements 108 aufgeprägte Phasenverteilung für jedes Fokuselement 122 einen bestimmten optischen Gitteranteil und/oder optischen Linsenanteil auf. Die örtlichen Positionen xo, yo, zo lassen sich durch entsprechende Einstellung und/oder Auslegung des Strahlteilungselements 108 bzw. der mittels des Strahlteilungselements aufgeprägten Phasenverteilung definieren.
Die Intensität Io der jeweiligen Fokuselemente 122 ist bestimmt durch Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 118 zueinander. Diese Phasenlagen sind durch die genannten optischen Gitteranteile und optischen Linsenanteile definierbar. Die Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 118 können bei der Einstellung bzw. Auslegung des Strahlteilungselements 108 so zueinander gewählt werden, dass die Fokuselemente 122 jeweils eine gewünschte Intensität aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Varianten des Strahlteilungselements 108 kann es vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement 108 als Polarisations-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst. In diesem Fall wird mittels des Strahlteilungselements 108 eine Polarisationsstrahlteilung des Eingangslaserstrahls 110 in Strahlen durchgeführt, welche jeweils einen von mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen.
Insbesondere sind unter den genannten Polarisationszuständen lineare Polarisationszustände zu verstehen, wobei beispielsweise zwei unterschiedliche Polarisationszustände vorgesehen sind und/oder zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände vorgesehen sind.
Insbesondere sind die Polarisationszustände derart, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung der polarisierten Strahlen orientiert ist (transversal elektrisch).
Zur Polarisationsstrahlteilung umfasst das Strahlteilungselement 108 beispielsweise ein doppelbrechendes Linsenelement und/oder ein doppelbrechendes Keilelement. Das doppelbrechende Linsenelement und/oder das doppelbrechende Keilelement sind beispielsweise aus einem Quarzkristall hergestellt oder umfassen einen Quarzkristall.
Hinsichtlich der Funktionsweise und Ausführung des Strahlteilungselements 108 als bzw. mit Polarisations-Strahlteilungselement wird auf die
DE 10 2020 207 715 Al und die DE 10 2019 217 577 Al verwiesen.
Mittels des Strahlteilungselements 108 lassen sich insbesondere die Teilstrahlen 118 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Durch Fokussierung dieser Teilstrahlen 118 mittels der Fokussieroptik 120 können die Fokuselemente 122 beispielsweise jeweils aus Strahlen mit einem bestimmten Polarisationszustand ausgebildet werden. Den Fokuselementen 122 lässt sich dadurch jeweils ein bestimmter Polarisationszustand zuordnen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente 122 durch Polarisationsstrahlteilung mittels des Strahlteilungselements 108 derart ausgebildet werden, dass diese an der Oberfläche 104 einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen (vgl. Fig. 7b). Hierzu werden beispielsweise Teilstrahlen 118 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen in unterschiedliche Teilbereiche fokussiert. Eine dem asymmetrischen Querschnitt zugeordnete Querschnittsebene ist quer und insbesondere senkrecht zur Haupt- Propagationsrichtung 128 und/oder tangential zur Oberfläche 104 orientiert, d.h. parallel zu einer Tangentialebene der Oberfläche 104 an der Position des Fokuselements 122.
Es kann vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement 108 ein weiteres Strahlformungselement (nicht gezeigt) aufweist und/oder dass dem Strahlteilungselement 108 ein weiteres Strahlformungselement zugeordnet ist und/oder dass das Strahlteilungselement 108 Strahlformungseigenschaften aufweist, um den Querschnitt der Fokuselemente hinsichtlich Form und Intensitätsprofil zu definieren. Beispielsweise kann hierzu ein "beam shaper" vorgesehen sein. Dadurch lassen sich beispielsweise die Fokuselemente 122 im Querschnitt mit rechteckiger oder quadratischer Form bzw. Intensitätsprofil erzeugen.
Die den jeweiligen Fokuselementen 122 zugeordnete Haupt-Propagationsrichtung 128 ist eine Haupt-Propagationsrichtung und/oder mittlere Propagationsrichtung von Laserstrahlen oder Teilstrahlen, aus welchen die Fokuselemente 122 gebildet sind. Insbesondere ist die Haupt-Propagationsrichtung 128 quer und insbesondere senkrecht zur Oberfläche 104 und/oder zu einer Längsmittelachse 136 des Werkstücks 102 orientiert.
Die Oberfläche 104 des beispielsweise zylinderförmig ausgebildeten Werkstücks 102 ist entlang einer Längsrichtung 138 zumindest abschnittsweise eben ausgebildet, d.h. die Krümmung der Oberfläche 104 beträgt in Längsrichtung 138 zumindest näherungsweise Null. Insbesondere ist die dem Werkstück 102 und/oder der Oberfläche 104 zugeordnete Längsrichtung 138 parallel zur Längsmittelachse 136 orientiert.
Entlang einer zur Längsrichtung 138 senkrecht orientierten Umfangsrichtung 140 weist die Oberfläche 104 eine von Null verschiedene und insbesondere eine maximale Krümmung auf. Beispielsweise ist die dem Werkstück 102 und/oder der Oberfläche 104 zugeordnete Umfangsrichtung 140 senkrecht zur Längsrichtung 138 und senkrecht zur radialen Richtung des Radius R orientiert.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 ist es vorgesehen, dass zur Laserbearbeitung des Werkstücks 102 die Oberfläche 104 mit einer Mehrzahl von Fokuselementen 122 beaufschlagt wird. Insbesondere werden die Fokuselemente 122 derart an der Oberfläche 104 angeordnet, dass durch lineare und/oder nichtlineare Wechselwirkung des Materials 106 mit den Fokuselementen 122 das Material 106 an der Oberfläche 104 modifiziert wird.
Wie beispielsweise in Fig. 5a gezeigt kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente 122, mit welchen das Material 106 an der Oberfläche 104 beaufschlagt wird, zumindest näherungsweise in einer Ebene angeordnet werden, welche beispielsweise senkrecht zur Längsrichtung 138 und/oder Längsmittelachse 136 orientiert ist. Beispielsweise ist eine Raumkoordinate (bei dem gezeigten Beispiel die y-Koordinate) der Fokuselemente 122 konstant. Die Fokuselemente sind beispielsweise entlang der Umfangsrichtung 140 beabstandet an der Oberfläche 104 positioniert.
Es kann auch vorgesehen sein, dass, wie beispielsweise in Fig. 5b gezeigt, Fokuselemente 122 vorgesehen sind, welche entlang der Umfangsrichtung 140 beabstandet positioniert sind und welche entlang der Längsrichtung 138 beabstandet positioniert sind. Beispielsweise liegen die Fokuselemente 122 in mehreren parallelen Ebenen, welche in Längsrichtung 138 beabstandet sind. Beispielsweise sind die Fokuselemente gitterartig auf der Oberfläche 104 positioniert.
Das Werkstück 102 ist derart angeordnet und/oder gelagert, dass die Oberfläche 104 während der Laserbearbeitung in Umfangsrichtung 140 und/oder in Längsrichtung 138 relativ zu den Fokuselementen 122 bewegt werden kann. Beispielsweise kann das Werkstück 102 parallel zur Längsmittelachse 136 bewegt werden und/oder um die Längsmittelachse 136 gedreht werden.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist es vorgesehen, dass die Oberfläche 104 zur Laserbearbeitung mit mehreren zueinander in Längsrichtung 138 beabstandeten Fokuselementen 122 beaufschlagt wird. Durch entsprechende Relativbewegung der Oberfläche 104 zu den Fokuselementen 122 lassen sich dadurch beispielsweise an der Oberfläche 104 längliche Materialmodifikationen
142 ausbilden, welche in Umfangsrichtung 140 zueinander beabstandet sind.
Die längliche Materialmodifikation 142 ist oder umfasst insbesondere eine Rille
143 und/oder eine Furche und/oder eine Vertiefung und/oder eine Materialabtragung.
Beispielsweise erstrecken sich die länglichen Materialmodifikationen 142 an der Oberfläche 104 jeweils entlang einer Längsmittelachse 144, welche parallel oder quer zur Längsrichtung 138 und/oder Längsmittelachse 136 des Werkstücks 102 orientiert ist.
Eine geometrische Form und/oder ein Intensitätsprofil der Fokuselemente 122 ist bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel insbesondere Bessel-artig und/oder quasi- nichtbeugend und/oder länglich ausgebildet (vgl. Fig. 9). Die Fokuselemente 122 sind parallel zu einer Längsmittelachse 145 länglich ausgebildet, entlang welcher sie sich erstrecken. Insbesondere ist die Längsmittelachse 145 zumindest näherungsweise parallel zur Haupt-Propagationsrichtung 128 der den jeweiligen Fokuselementen 122 zugeordneten Laserstrahlen orientiert.
Die jeweilige Längsmittelachse 145 der Fokuselemente 122 ist nicht notwendigerweise geradlinig oder näherungsweise geradlinig ausgebildet, sondern kann grundsätzlich auch gekrümmt sein.
Die Fokuselemente 122 sind bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel derart angeordnet, dass die Längsmittelachse 145 quer und insbesondere senkrecht zur Oberfläche 104 orientiert ist (der Verlauf der Oberfläche 104 parallel zur Längsrichtung 138 ist in Fig. 9 durch die gestrichelte Linie angedeutet).
Fig. 7a zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung eines Querschnitts eines Fokuselements 122, wobei eine zugeordnete Querschnittsebene senkrecht zur Haupt-Propagationsrichtung 128 und/oder senkrecht zur Längsmittelachse 145 und/oder tangential zur Oberfläche 104 orientiert ist. Der Querschnitt des Fokuselements 122 ist symmetrisch und beispielsweise kreisförmig ausgebildet. Es lassen sich dadurch beispielsweise die länglichen Materialmodifikationen 142 und/oder Rillen 143 an der Oberfläche 104 mit einer kreisförmigen Querschnittskontur 146 ausbilden, d.h. die Querschnittskontur 146 liegt zumindest abschnittsweise auf einem Kreis.
Bei der in Fig. 7b gezeigten Variante weist der Querschnitt des Fokuselements 122 eine asymmetrische und beispielsweise elliptische Form auf. Es lassen sich dadurch die länglichen Materialmodifikationen 142 und/oder Rillen 143 an der Oberfläche beispielsweise mit einer sinusförmigen Querschnittskontur 146 ausbilden.
Insbesondere weist der Querschnitt des Fokuselements im Fall einer asymmetrischen Form eine Vorzugsrichtung 147 auf. Unter dieser Vorzugsrichtung 147 ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, in welcher eine Erstreckungslänge der Fokusverteilung 124 lokal oder global maximiert ist. Beispielsweise ist unter der Vorzugsrichtung 147 eine Haupt- Erstreckungsrichtung der Fokusverteilung 124 zu verstehen.
Im Fall des beispielsweise in Fig. 7b gezeigten Fokuselements mit elliptischem Querschnitt ist die Vorzugsrichtung 147 parallel zu einer großen Halbachse einer zugeordneten Ellipse orientiert.
Bei den Graustufendarstellungen der in den Fig. 7a und 7b gezeigten Intensitätsverteilungen stehen hellere Bereiche für höhere Intensitäten.
Wie in den Fig. 7a und 7b illustriert lässt sich durch Anpassung des Querschnitts der Fokuselemente 122 eine Querschnittskontur 146 und/oder eine Querschnittsgeometrie der mit den Fokuselementen erzeugten länglichen Materialmodifikationen 142 und/oder Rillen 143 definieren.
Fig. 8a zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung von mehreren zueinander beabstandeten Fokuselementen 122, wobei eine zugeordnete Querschnittsebene parallel zur Haupt-Propagationsrichtung 128 und/oder senkrecht zur Oberfläche 104 des Werkstücks 102 orientiert ist. Die gezeigten Fokuselemente 122 weisen eine gaußförmige Form und/oder ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf.
Die Haupt-Propagationsrichtung 128 ist bei dem in Fig. 8a gezeigten Beispiel parallel zur z-Achse orientiert.
In Fig. 8b ist eine simulierte Phasenverteilung gezeigt, welche den in Fig. 8a gezeigten Fokuselementen 122 zugeordnet ist. Die Graustufenskala reicht von Weiß (Phase + Pi) bis Schwarz (Phase -Pi).
Fig. 9 zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung von mehreren zueinander beabstandeten Fokuselementen 122, wobei eine zugeordnete Querschnittsebene parallel zur Haupt-Propagationsrichtung 128 und/oder senkrecht zur Oberfläche 104 des Werkstücks 102 orientiert ist. Die gezeigten Fokuselemente 122 weisen eine längliche Form und/oder eine längliche Intensitätsverteilung auf.
Insbesondere basiert die Form bzw. Intensitätsverteilung der Fokuselemente auf einem Bessel-artigen und/oder quasi-nichtbeugenden Strahlprofil.
Die Fokuselemente 122 erstrecken sich jeweils entlang der zugeordneten Längsmittelachse 144, welche quer und insbesondere senkrecht zur Oberfläche 104 des Werkstücks 102 orientiert ist.
Die Strahlformungseinrichtung 126 und/oder das Strahlteilungselement 108 können derart eingerichtet sein, dass die ausgebildeten Fokuselemente 122 ein Intensitätsprofil aufweisen, welches ausgehend von einem Intensitätsmaximum 148 bezüglich einer Haupterstreckungsrichtung 150 und/oder Haupterstreckungsachse einen abrupten Intensitätsabfall aufweist (Fig. 10a und 10b). Derartige Strahlen werden auch als abrupt-selbstfokussierende Strahlen (abruptly autofocusing beams) bezeichnet.
Die Haupterstreckungsrichtung 150 ist insbesondere zumindest näherungsweise parallel zur Haupt-Propagationsrichtung 128 und/oder zu einer Längsmittelachse 145 des Fokuselements 122 orientiert. Beispielsweise können zur Laserbearbeitung des Werkstücks 102 mehrere zueinander beabstandete Fokuselemente 122 mit einer abruptselbstfokussierenden Intensitätsprofil ausgebildet werden.
Bei der in den Fig. 10a und 10b gezeigten Ausführungsform weist das Intensitätsprofil ausgehend von dem Intensitätsmaximum 148 in Haupterstreckungsrichtung 150 eine Intensitätsabfallflanke 152 auf.
Charakteristisch für das Intensitätsprofil ist, dass an der Intensitätsabfallflanke 152 die Intensität ausgehend von dem Intensitätsmaximum 148 auf einen Wert von 1/e2 näherungsweise 3-Fach schneller abfällt als dies bei einem gaußförmigen Intensitätsprofil der Fall wäre.
Das Intensitätsmaximum 148 ist insbesondere ein Hauptmaximum und/oder globales Maximum des Intensitätsprofils dieses Ausführungsbeispiels des Fokuselements 122. Insbesondere weist das Intensitätsprofil ein oder mehrere Nebenmaxima 154 auf, welche ausgehend von dem Intensitätsmaximum 148 entgegen der Haupterstreckungsrichtung 150 auf das Intensitätsmaximum 148 folgen. Insbesondere weisen die Nebenmaxima 154 mit zunehmendem Abstand vom Intensitätsmaximum 148 bezüglich der Haupterstreckungsrichtung 150 jeweils geringere maximale Intensitätswerte auf.
Hinsichtlich der Ausbildung und Eigenschaften derartiger strahlen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Abruptly autofocusing waves" von Efremidis, Nikolaos K., and Demetrios N. Christodoulides, Optics letters 35.23 (2010): 4045-4047 und "Observation of abruptly autofocusing waves" von Papazoglou et al., Optics letters 36.10 (2011): 1842-1844, verwiesen.
Die Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Zur Durchführung der Laserbearbeitung an dem Werkstück 102 wird mittels der Laserquelle 112 der Eingangslaserstrahl 110 bereitgestellt und in das Strahlteilungselement 108 eingekoppelt, wobei gegebenenfalls eine Strahlformung des Eingangslaserstrahls 110 mittels der Strahlformungseinrichtung 126 vor dessen Einkopplung in das Strahlteilungselement 108 erfolgen kann.
Der Eingangslaserstrahl 110 wird mittels des Strahlteilungselements 108 in die Teilstrahlen 118 aufgeteilt, wobei mittels des Strahlteilungselements zudem eine Polarisation der Teilstrahlen 118 und/oder eine weitere Strahlformung erfolgen kann. Die Fokussieroptik 120 fokussiert die Teilstrahlen 118, um die Fokuselemente 122 auszubilden.
Die Fokusverteilung und/oder Positionierung der ausgebildeten Fokuselemente 122 lässt sich mittels des Strahlteilungselements 108 und/oder der Strahlformungseinrichtung 126 definieren. Zur Laserbearbeitung des Werkstücks 102 werden beispielsweise mehrere Fokuselemente 122 zueinander beabstandet an der Oberfläche 104 oder im Bereich der Oberfläche 104 angeordnet, sodass das Material 106 des Werkstücks 102 dort mit den Fokuselementen 122 wechselwirkt. Die Fokuselemente 122 können hierbei in Umfangsrichtung 140 und/oder in Längsrichtung 138 der Oberfläche 104 bzw. des Werkstücks 102 beabstandet positioniert werden (vgl. Fig. 5a, 5b und 6).
Aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Fokuselementen 122 und dem Material 106 des Werkstücks 102 wird das Material 106 modifiziert, d.h. die den Fokuselementen 122 zugeordnete Laserstrahlung wechselwirkt mit dem Material 106, um dieses zu modifizieren und insbesondere abzutragen. Insbesondere kann die Wechselwirkung lineare und/oder nichtlineare Absorptionsprozesse umfassen.
Durch die an den Fokuselementen 122 absorbierte Energie der Laserstrahlung erwärmt sich das Material 106 entsprechend der Form und/oder des Intensitätsprofils des jeweiligen Fokuselements. Hierbei kann das Material 106 in einen temporären Plasmazustand übergehen. Insbesondere kann ein Teil des Materials 106 aus dem Verbund des Materials 106 herausgelöst werden, beispielsweise schmelzen oder verdampfen.
Die Wechselwirkung zwischen den Fokuselementen 122 und dem Material 106 ermöglicht insbesondere Bearbeitungsprozesse, welche beispielsweise als Laserbohren, Perkussionsbohren oder Laserablation bekannt sind. Zudem können durch die Wechselwirkung auch Materialmodifikationen in das Material 106 ein- oder aufgebracht werden.
Während der Beaufschlagung des Materials 106 mit den Fokuselementen 122 wird das Material 106 insbesondere relativ zu den Fokuselementen 122 bewegt, wobei die Relativbewegung insbesondere eine Translationsbewegung parallel zur Längsmittelachse 136 und/oder zur Längsrichtung 138 umfassen kann, und/oder eine Rotationsbewegung um die Längsmittelachse 136 und/oder entlang der Umfangsrichtung 140. Dies ermöglicht beispielsweise eine Ausbildung von Rillen 143 an der Oberfläche 104, welche sich beispielsweise parallel oder quer zur Längsrichtung 136 erstrecken und/oder entlang der Umfangsrichtung 140 zueinander beabstandet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere entlang der Umfangsrichtung 140 beabstandete Fokuselemente 122 vorgesehen, was insbesondere eine parallele Ausbildung von in Umfangsrichtung 140 beabstandeten länglichen Materialmodifikationen 142 ermöglicht (Fig. 1 und 5a). Zusätzlich können bei dieser Ausführungsform mehrere in Längsrichtung 138 beabstandete Fokuselemente 122 vorgesehen sein (Fig. 5b). Es lassen sich dadurch insbesondere längere räumliche Abschnitte in Längsrichtung einer länglichen Materialmodifikation 142 in einem Arbeitsschritt ausbilden. Vorzugsweise weisen die Fokuselemente 122 bei dieser Ausführungsform eine gaußförmige Form und/oder ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Variante ist ein Fokuselement 122 vorgesehen oder es sind mehrere in Längsrichtung 138 beabstandete Fokuselemente 122 vorgesehen, wobei dann die Fokuselemente 122 insbesondere in einer zur Oberfläche 104 senkrecht orientierten Ebene liegen, d.h. in einer Ebene, welche senkrecht zu einer Tangentialebene an die Oberfläche 104 an den jeweiligen Positionen der Fokuselemente 122 orientiert ist. Insbesondere überlappen sich die in Längsrichtung 138 beabstandeten Fokuselemente 122 zumindest teilweise.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass an der Oberfläche 104 mehrere längliche Materialmodifikationen 142 ausgebildet werden, welche sich parallel oder quer zur Längsrichtung 138 erstrecken und/oder welche in Umfangsrichtung 140 beabstandet sind.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fokuselemente 122 vorzugsweise länglich ausgebildet, wobei die Längsmittelachse 145 quer und insbesondere senkrecht zur Oberfläche 104 orientiert ist (vgl. Fig. 9). Insbesondere sind jeweilige Mittelbereiche 155 der Fokuselemente 122 an der Oberfläche 104 oder im Bereich der Oberfläche 104 positioniert. Unter dem Mittelbereich ist insbesondere ein bezüglich der Längsmittelachse 145 in einer Mitte des länglichen Fokuselements 122 angeordneter Bereich zu verstehen.
Zur Ausbildung der länglichen Materialmodifikationen 142 wird, wie in Fig. 6 angedeutet, die Oberfläche 104 relativ zu den jeweiligen Positionen der Fokuselemente 122 in Längsrichtung 138 und in Umfangsrichtung 140 bewegt. Insbesondere umfasst die Relativbewegung zwischen den Fokuselementen 122 und der Oberfläche 104 eine Überlagerung einer Relativbewegung in Längsrichtung 138 und in Umfangsrichtung 140. Beispielsweise wird das zylinderförmige Werkstück 102 hierzu parallel zur Längsmittelachse 136 bewegt und um die Längsmittelachse gedreht. Insbesondere bewegt sich ein bestimmtes Fokuselement 122 an der Oberfläche 104 auf einer spiralförmigen Trajektorie 156 (angedeutet in Fig. 6).
Es ist dann vorgesehen, dass Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen, aus welchen die Fokuselemente 122 gebildet sind oder welche den Fokuselementen 122 zugeordnet sind, gepulste Laserstrahlen sind. Die den Fokuselementen 122 zugeordneten Laserpulse sind mit der Relativbewegung der Oberfläche 104 derart synchronisiert, dass zu unterschiedlichen Zeiten auf die Oberfläche 104 auftreffende Laserpulse jeweils bestimmten auszubildenden länglichen Materialmodifikationen 142 und insbesondere benachbarten und/oder beabstandeten auszubildenden länglichen Materialmodifikationen 142 zugeordnet sind.
Beispielsweise ist ein auf die Oberfläche 104 treffender zeitlich erster Laserpuls eines bestimmten Fokuselements 122 einer ersten länglichen
Materialmodifikation 142a zugeordnet, ein zweiter Laserpuls einer zu der ersten länglichen Materialmodifikation 142a in Umfangsrichtung 140 beabstandeten zweiten länglichen Materialmodifikation 142b und ein dritter Laserpuls einer zu der zweiten länglichen Materialmodifikation 142b in Umfangsrichtung 140 beabstandeten dritten länglichen Materialmodifikation 142c zugeordnet, usw. Es wird dadurch bei jedem vollständigen Umlauf einer bestimmten länglichen Materialmodifikation 142 um die Längsmittelachse 136 mittels der Fokuselemente 122 jeweils ein Abschnitt der Materialmodifikation 142 ausgebildet.
Ein zur Längsrichtung 138 und/oder Längsmittelachse 144 parallel orientierter Vorschub beträgt beispielsweise je vollständigem Umlauf des Werkstücks 102 10 nm bis 500 nm.
Das Werkstück wird beispielsweise mit ca. 100 Hz um die Längsmittelachse 136 rotiert.
Beispielsweise beträgt ein Durchmesser des zylinderförmig ausgebildeten Werkstücks mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 1.000 mm, bevorzugt mindestens 0,5 mm und/oder höchstens 20 mm.
Ein Abstand zwischen an der Oberfläche 104 benachbarten länglichen Materialmodifikationen 142 beträgt beispielsweise mindestens 1 pm und/oder höchstens 100 pm.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die länglichen Materialmodifikationen vollständig nacheinander ausgebildet werden. Beispielsweise wird zuerst die längliche Materialmodifikation 142a durch Relativbewegung der Oberfläche 104 zu den Fokuselementen 122 parallel zur Längsrichtung 138 ausgebildet, anschließend die Oberfläche 104 in Umfangsrichtung 140 bewegt und die nächste längliche Materialmodifikation 142b ausgebildet, dann die längliche Materialmodifikation 142c, usw. Bezugszeichenliste
Xo Position in x-Richtung yo Position in y-Richtung
Zo Position in z-Richtung
Io Intensität
R Radius
100 Vorrichtung
102 Werkstück
104 Oberfläche
106 Material
108 Strahlteilungselement
110 Eingangslaserstrahl
112 Laserquelle
114 Strahlquerschnitt
116 Wellenfront
118 Teilstrahlen
118a Teilstrahl
118b Teilstrahl
120 Fokussieroptik
122 Fokuselement
124 Fokusverteilung
126 Strahlformungseinrichtung
128 Haupt- Propagationsrichtung
130 Strahlformungselement
132 Zwischenbild
134 Fernfeldoptik
136 Längsmittelachse
138 Längsrichtung
140 Umfangsrichtung
142 längliche Materialmodifikation
142a, b,c längliche Materialmodifikation
143 Rille
144 Längsmittelachse Längsmittelachse Querschnittskontur Vorzugsrichtung Intensitätsmaximum Haupterstreckungsrichtung Intensitätsabfallflanke Nebenmaximum Mittelbereich Trajektorie

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (102), welches eine gekrümmte Oberfläche (104) aufweist, bei dem mittels eines Eingangslaserstrahls (110) mindestens ein Fokuselement (122) bereitgestellt wird, die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) mit dem mindestens einen Fokuselement (122) beaufschlagt wird und das mindestens eine Fokuselement (122) relativ zu der Oberfläche (104) bewegt wird, wobei das mindestens eine Fokuselement (122) parallel zu einer Längsmittelachse (145) des mindestens einen Fokuselements (122) eine längliche Form aufweist, die Längsmittelachse (145) des mindestens einen Fokuselements (122) quer und insbesondere senkrecht zu der Oberfläche (104) des Werkstücks (102) orientiert ist und wobei mittels des mindestens einen Fokuselements (122) ein Material (106) des Werkstücks (102) an der Oberfläche (104) abgetragen und/oder modifiziert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fokuselement (122) eine Bessel-artige Form und/oder ein Bessel- artiges Intensitätsprofil aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fokuselement (122) parallel zu seiner Längsmittelachse (145) eine räumliche Ausdehnung von mindestens 5 pm und/oder höchstens 1000 pm und bevorzugt von mindestens 10 pm und/oder höchstens 500 pm aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fokuselemente (122) bereitgestellt werden, welche parallel zu einer Längsrichtung (138) des Werkstücks (102) beabstandet sind, wobei die Oberfläche (104) parallel zur Längsrichtung (138) eben ausgebildet ist und wobei insbesondere die Oberfläche (104) des Werkstück (102) gleichzeitig mit den Fokuselementen (122) beaufschlagt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Fokuselemente (122) der Eingangslaserstrahl (110) mittels eines Strahlteilungselements (108) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (118) aufgeteilt wird und aus dem Strahlteilungselement (108) ausgekoppelte Teilstrahlen (118) fokussiert werden, um die Fokuselemente (122) auszubilden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement (122) und der Oberfläche (104) an der Oberfläche (104) mehrere längliche Modifikationen (142) und insbesondere mehrere Rillen (143) ausgebildet werden, welche in einer Umfangsrichtung (140) des Werkstücks (102) zueinander beabstandet sind, wobei die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) entlang der Umfangsrichtung (140) gekrümmt ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement (122) und der Oberfläche (140) des Werkstücks (102) eine Bewegung parallel zu einer Längsrichtung (138) des Werkstücks (102) umfasst, wobei die Oberfläche (104) parallel zur Längsrichtung (138) eben ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement (122) und der Oberfläche (140) des Werkstücks (102) eine Bewegung in einer Umfangsrichtung (140) des Werkstücks (102) umfasst, wobei die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) entlang der Umfangsrichtung (140) gekrümmt ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (110) ein gepulster Laserstrahl ist und dass eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement (122) und der Oberfläche (104) derart angepasst ist, dass Laserpulse, aus welchen das mindestens eine Fokuselement (122) zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet ist, jeweils in einer Umfangsrichtung (140) des Werkstücks (102) beabstandet auf die Oberfläche (104) treffen, um an der Oberfläche (104) in Umfangsrichtung (140) beabstandete längliche Modifikationen (142) und insbesondere Rillen (143) auszubilden, wobei die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) entlang der Umfangsrichtung (140) gekrümmt ist. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselemente (122) und der Oberfläche (104) derart synchronisiert ist, dass mittels zeitlich aufeinanderfolgender Laserpulse an der Oberfläche (104) jeweils zumindest Abschnitte von länglichen Modifikationen (142) und insbesondere Rillen (143) ausgebildet werden, welche in Umfangsrichtung (140) des Werkstücks (102) zueinander beabstandet sind. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geometrische Form und/oder ein Intensitätsprofil des mindestens einen Fokuselements (122) in einem Querschnitt einstellbar ist oder eingestellt wird, um eine Geometrie einer mittels des mindestens einen Fokuselements (122) ausgebildeten Modifikation (142) und/oder eines mittels des mindestens einen Fokuselements (122) bewirkten Abtrags des Materials (106) des Werkstücks (102) an der Oberfläche (104) zu definieren, wobei der Querschnitt tangential zur Oberfläche (104) des Werkstücks (102) und/oder senkrecht zu einer jeweiligen Längsmittelachse (145) des mindestens einen Fokuselements (122) orientiert ist. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form des mindestens einen Fokuselements (122) in dem Querschnitt eine Vorzugsrichtung (147) aufweist, entlang welcher das mindestens eine Fokuselement (122) in dem Querschnitt eine größte räumliche Ausdehnung aufweist, und/oder dass die geometrische Form des mindestens einen Fokuselements (122) in dem Querschnitt asymmetrisch und insbesondere elliptisch ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (106) des Werkstücks (102) mittels des mindestens einen Fokuselements (122) an der Oberfläche (104) abgetragen wird und/oder strukturiert wird, und/oder dass an der Oberfläche (104) des Werkstücks (102) mindestens eine längliche Modifikation (142) und insbesondere mindestens eine Rille (143) ausgebildet wird, wobei insbesondere eine Längsmittelachse (144) der mindestens einen länglichen Modifikation (142) zumindest komponentenweise parallel zu einer Längsrichtung (138) des Werkstücks (102) orientiert ist, entlang welcher die Oberfläche (104) eben ist. erfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der Folgenden:
- das Werkstück (102) und/oder die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) sind zylinderförmig ausgebildet;
- die Oberfläche (104) des Werkstücks (102) ist konvex gekrümmt;
- dem Werkstück (102) und/oder der Oberfläche (104) des Werkstücks (102) ist eine Längsrichtung (138) zugeordnet ist, wobei die Oberfläche (104) entlang der Längsrichtung (138) eben ist
- dem Werkstück (102) und/oder der Oberfläche (104) des Werkstücks (102) ist eine Umfangsrichtung (140) zugeordnet, wobei die Oberfläche (104) entlang der Umfangsrichtung (140) gekrümmt ist;
- das Werkstück (102) weist eine zur Längsrichtung (138) parallele Längsmittelachse (136) auf, wobei eine Drehung des Werkstücks (102) um die Längsmittelachse (136) eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Fokuselement (122) und der Oberfläche (104) in Umfangsrichtung (140) der Oberfläche (104) bewirkt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem mindestens einen Fokuselement (122) zugeordnete Haupt-Propagationsrichtung (128) von Laserstrahlen und/oder Teilstrahlen (118), aus welchen das mindestens eine Fokuselement (122) gebildet ist, quer und insbesondere senkrecht zu der Oberfläche (104) des Werkstücks (102) orientiert ist, und/oder dass eine dem mindestens einen Fokuselement (122) zugeordnete Haupt-Propagationsrichtung (128) von Laserstrahlen und/oder Teilstrahlen (118), aus welchen das mindestens eine Fokuselement (122) gebildet ist, zumindest näherungsweise parallel zur Längsmittelachse (145) des mindestens einen Fokuselements (122) orientiert ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (102) an der Oberfläche (104) ein für den Eingangslaserstrahl (110) und/oder für einen Laserstrahl, aus welchem das mindestens eine Fokuselement (122) ausgebildet ist, opakes Material (106) aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (110) und/oder ein Laserstrahl, aus welchem das mindestens eine Fokuselement (122) ausgebildet ist, ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist.
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