WO2024041903A1 - Lasersystem und verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks - Google Patents

Lasersystem und verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks Download PDF

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Trumpf Laser Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a laser system and a method for laser processing a workpiece using an interference pattern.
  • a device for shaping a laser beam comprising symmetrizing means which can interact with the laser beam to be shaped in such a way that, after the interaction, at least two sections or partial beams of the laser beam that are different in the transverse direction of the laser beam at least pointwise or in regions are spatially coherent with one another, and overlay means for superimposing the at least two sections or partial beams with one another, the overlay means being arranged in the beam path of the laser beam behind the symmetrizing means.
  • a method for processing an object using interfering laser beams wherein a collimated laser beam is generated, the intensity distribution and / or the phase progression is influenced over the cross section of the laser beam, the laser beam is divided into two partial beams, and the partial beams are deflected and focused so that the partial beams come to superimpose in a processing zone in the material of the object, the deflection and focusing of the partial beams comprising an aberration correction.
  • the invention is based on the object of providing a laser system and method mentioned at the outset, which are flexible and versatile and enable a high degree of control of the properties of the interference pattern intended for laser processing of the workpiece.
  • the laser system comprises at least one laser beam source for providing a plurality of coherent laser beams, an amplification device for forming amplified coherent laser beams by amplifying the coherent laser beams, and a phase adjustment device for adjusting a respective phase difference between the coherent laser beams and a beam convergence region in which output laser beams based on the amplified coherent laser beams or corresponding to the amplified coherent laser beams converge to form the interference pattern, wherein at least beam components of different and/or adjacent output laser beams converge in the beam convergence region.
  • laser processing of the workpiece can in particular be carried out according to the principle of direct laser interference structuring, which is also referred to as “Direct Laser Interference Patterning” (DLIP).
  • DLIP Direct Laser Interference Patterning
  • laser processing of the workpiece is carried out using the interference pattern provided in the area of its outside and/or surface.
  • the outside or surface is subjected to the interference pattern for laser processing in order to produce material modifications with specified properties over a large area.
  • material can be removed from the outside, or depressions or “dimple-like” structures can be created.
  • the laser system according to the invention can be used, for example, to process workpieces which are made of or include a glass material and/or plastic material and/or metallic material.
  • the laser system according to the invention makes it possible, for example, to divide an input laser beam provided by the laser beam source into the plurality of coherent laser beams and then to amplify the respective coherent laser beams and in particular to amplify them spatially separately from one another.
  • the coherent laser beams can be amplified, for example, with separate amplification elements. This enables spatially flexible positioning and alignment of the amplified coherent laser beams, on the basis of which the output laser beams are formed.
  • the fact that at least beam components of the different and/or adjacent output laser beams converge means that the different output laser beams or components of the different output laser beams converge and/or converge on one another to form the interference pattern. More precisely, Poynting vectors assigned to the different output laser beams or the components of the different output laser beams converge.
  • a coherent laser beam and/or amplified coherent laser beam and/or output laser beam is in particular in the form of a beam of rays and/or a sum of partial beams with a specific spatial extent.
  • this bundle of rays or these partial rays are each assigned a Poynting vector with a specific direction or several Poynting vectors with different directions.
  • Different output laser beams are to be understood in particular as output laser beams which are formed and/or result from different and/or adjacent amplified coherent laser beams.
  • phase adjustment device and the amplification device and/or a splitting device of the laser system are designed as separate components of the laser system.
  • the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams are guided within the laser system as at least sections in optical waveguides and in particular single core waveguides.
  • the coherent laser beams are each guided in optical waveguides and in particular single core waveguides between the splitting device and the phase adjustment device and/or between the phase adjustment device and the amplification elements.
  • This makes it possible in particular to enable particularly flexible positioning and/or alignment of the amplified coherent laser beams and/or the output laser beams.
  • the adjacent output laser beams present in the beam convergence region have at least beam components which enclose an angle of at least 0.2° and/or at most 40° and preferably at least 1° and/or at most 5°. This allows the interference pattern to be formed in a technically simple manner.
  • Output laser beams that are adjacent to one another are to be understood as meaning output laser beams that are immediately adjacent to one another and/or output laser beams that are closest to one another and/or output beams that are closest neighbors to one another. In particular, no further output laser beams are arranged between adjacent output laser beams.
  • adjacent output laser beams have beam components which enclose a non-vanishing first angle assigned to a first angular coordinate, the first angle being at least 0.2° and/or at most 40° and preferably at least 1° and/or or at most 5°.
  • the interference pattern for example, to be formed two-dimensionally.
  • adjacent output laser beams have beam components which enclose a non-vanishing second angle assigned to a second angular coordinate that is different from the first angular coordinate, the second angle being at least 0.2° and/or at most 40° and preferred is at least 1° and/or at most 5°.
  • the beam convergence region there are in particular both adjacent output laser beams which enclose the non-disappearing first angle to one another, and output laser beams which enclose the non-disappearing second angle to one another.
  • beam components of adjacent output laser beams enclose a non-vanishing angle is to be understood as meaning that at least beam components of the adjacent output laser beams are Poynting- Vectors are assigned which enclose the aforementioned non-vanishing first angle or second angle.
  • the first angle extends in a first direction and/or with respect to a first angular coordinate.
  • the second angle extends in particular in a second direction and/or with respect to a second angular coordinate (relative to a specific output laser beam, from which the first angle or the second angle to the adjacent output laser beams is measured).
  • This second direction or second angular coordinate is different from the first direction or first angular coordinate of the first angle o.
  • the first direction or first angular coordinate is oriented transversely or perpendicular to the second direction or second angular coordinate.
  • the first angle corresponds, for example, to the polar angle and the second angle ⁇ to the azimuth angle.
  • adjacent output laser beams present in the beam convergence region and in particular all adjacent output laser beams present in the beam convergence region are aligned with one another in such a way that two mutually adjacent output laser beams either have beam components which enclose a non-vanishing first angle, or have beam components which have a include a non-vanishing second angle.
  • two adjacent output laser beams that enclose a non-vanishing first angle then have a vanishing second angle, or vice versa. This can be achieved, for example, by impinging a two-dimensional array of amplified coherent laser beams on a focusing device to form the output laser beams.
  • the output laser beams are present in the beam convergence region as collimated beams of rays and/or plane waves.
  • the output laser beams in the beam convergence region are present as collimated Gaussian beams or collimated Gaussian-like beams.
  • the respective output laser beams are not present as converging beams in the beam convergence region. This means that a specific output laser beam does not have any converging beam components and/or partial beams. In particular, a particular output laser beam is not focused into a point.
  • Each output laser beam is then assigned a single Poynting vector with a unique orientation.
  • the respective Poynting vectors then serve as a reference for specifying the first angle and/or the second angle between two adjacent output laser beams.
  • the Poynting vector of a particular output laser beam corresponds to its main propagation direction.
  • the output laser beams in the case of the output laser beams present as collimated beams of rays, the output laser beams converge on one another in the beam convergence region to form the interference pattern, with output laser beams adjacent to one another in the beam convergence region enclosing a non-vanishing first angle assigned to the first angular coordinate, and/or with output laser beams adjacent to one another in the beam convergence region include the non-vanishing second angle assigned to the second angular coordinate.
  • the output laser beams are present in the beam convergence region as divergent beams of rays and/or spherical waves and/or partial spherical waves.
  • a partial spherical shaft is understood to mean a geometric partial area and/or a section of a spherical shaft.
  • each output laser beam is then assigned a plurality of Poynting vectors, with a direction of the Poynting vectors being able to be different for different beam components of a specific output laser beam.
  • the respective Poynting vectors then serve as a reference for specifying the first angle and/or the second angle between respective beam components of two adjacent output laser beams.
  • One The main propagation direction of a specific output laser beam then corresponds in particular to an averaged direction over all non-vanishing Poynting vectors of the output laser beam.
  • the output laser beams present as divergent beams of rays these in particular only have beam components which converge on one another in the beam convergence region to form the interference pattern, with only beam components of output laser beams adjacent to one another in the beam convergence region enclosing a non-vanishing first angle assigned to the first angular coordinate, and/or where in In the beam convergence region, only beam components adjacent to one another include output laser beams that form a non-vanishing second angle assigned to the second angular coordinate.
  • the mutually adjacent output laser beams also have other beam components which do not converge on one another and/or which do not include the mentioned first angle and/or second angle.
  • the output laser beams are formed in particular by collimation and/or deflection of the amplified coherent laser beams.
  • the deflection takes place in particular in such a way that the output laser beams converge to form the interference pattern.
  • Amplified coherent laser beams coupled out from the amplification device and/or from amplification elements of the amplification device are present in particular as divergent beams of rays and/or as spherical waves and/or partial spherical waves.
  • the laser system has a focusing device for collimating and/or redirecting amplified coherent laser beams incident on the focusing device.
  • amplified coherent laser beams present as divergent beams can be collimated in order to provide the output laser beams in collimated form.
  • the focusing device can fundamentally have one or more focusing elements for collimating and/or deflecting the amplified coherent laser beams.
  • the focusing element is or includes an F-theta lens.
  • the focusing device has a focusing element and in particular a single focusing element, with several and in particular all existing amplified coherent laser beams incident on the focusing element and with the amplified coherent laser beams being collimated and deflected by means of the focusing element in order to provide the output laser beams.
  • a spatial offset of amplified coherent laser beams incident on it is converted into an angular offset.
  • the adjacent amplified coherent laser beams incident on the focusing element are positioned with a spatial offset with respect to a first spatial direction and/or with respect to a second spatial direction, the second spatial direction being oriented transversely and in particular perpendicular to the first spatial direction.
  • an angular offset is then formed between adjacent emerging laser beams using the focusing element.
  • These emerging laser beams correspond in particular to the output laser beams.
  • the angle and/or first angle and/or second angle can thus be formed between the output laser beams.
  • the adjacent amplified coherent laser beams incident on the focusing element are positioned as a one-dimensional or two-dimensional array with respect to the first spatial direction and/or the second spatial direction.
  • the focusing device has a plurality of focusing elements, with one focusing element being assigned to an amplified coherent laser beam and the amplified coherent laser beams each being collimated by means of the assigned focusing element.
  • the amplified coherent ones incident on the respective focusing element and emerging from it then have the same main propagation direction.
  • the adjacent amplified coherent laser beams incident on and/or emerging from the focusing element have, for example, a spatial offset with respect to the first spatial direction and/or the second spatial direction and are positioned as an array in particular with respect to the first spatial direction and/or the second spatial direction.
  • a beam deflection device in particular can then be provided in order to form the output laser beams converging in the beam convergence region.
  • both the amplified coherent laser beams incident on the focusing elements and the laser beams emerging from them are positioned in a convergent manner.
  • reinforcing elements of the reinforcing device and/or the focusing elements are then positioned in a circular and/or spherical manner.
  • the existing focusing elements and/or the amplified coherent laser beams incident on the existing focusing elements are set up and arranged in such a way that laser beams emerging from the focusing elements form the beam convergence region and correspond to the output laser beams.
  • the focusing elements and/or the amplified coherent laser beams incident on the focusing elements are set up and arranged in such a way that laser beams emerging from the focusing elements converge to form the interference pattern.
  • no separate beam deflection device is then required. The emerging laser beams then form the beam convergence region and correspond to the output laser beams.
  • the laser system has a beam deflecting device for deflecting the amplified coherent laser beams in order to form the output laser beams converging in the beam convergence region.
  • the beam deflecting device has, for example, a plurality of mirror elements which are set up and arranged to deflect the amplified coherent laser beams entering the beam deflecting device.
  • the amplified coherent laser beams coupled out of the amplification device are present as divergent beams, with a main propagation direction of adjacent amplified coherent laser beams being oriented parallel or transversely and with the amplified coherent laser beams corresponding to the output laser beams.
  • the adjacent coherent laser beams transversely to one another, it is possible to increase in particular beam components of the output laser beams, which contribute to the formation of the interference pattern.
  • the interference pattern has at least one interference element for laser processing of the workpiece, which is repeated within the interference pattern and in particular repeats at regular intervals and in particular equal intervals.
  • the interference pattern can basically be one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional.
  • the interference element is repeated in one, two or three spatial dimensions.
  • the interference element is or includes at least one focused point and/or at least one focused line, such as a pattern of points and/or lines.
  • the at least one focused point and/or the at least one focused line serve for laser processing of the workpiece and in particular have an intensity above a threshold which is required to carry out the laser processing of the workpiece.
  • the interference element within the interference pattern is repeated at least 10 times and in particular at least 100 times and in particular at least 1000 times.
  • large-area periodic structures can be created on the workpiece in one or a few work steps.
  • the phase setting device is set up to set a phase difference between all existing coherent laser beams and in particular to set it separately.
  • the phase adjustment device is set up to separately adjust a phase position of each of the coherent laser beams.
  • the phase adjustment device comprises a plurality of phase adjustment elements, with a phase adjustment element preferably being assigned to each coherent laser beam.
  • the phase position of a specific coherent laser beam can then be adjusted, for example, by means of the phase adjustment element assigned to it.
  • the interference pattern and/or the interference element can be varied or is varied by adjusting and/or controlling the phase difference between the coherent laser beams using the phase adjusting device. This allows, for example, dynamic machining of the workpiece carry out.
  • the interference pattern can also be adapted to different applications in a technically simple manner.
  • the at least one property includes in particular a distance of the interference elements and/or a periodicity of the interference elements and/or a peak intensity of the interference elements and/or an intensity profile of the interference elements and/or a geometric shape of the interference elements.
  • At least a subset of the interference elements of the interference pattern is moved relative to the workpiece and/or is scanned over the workpiece by controlling and in particular exclusively by controlling the phase difference between the coherent laser beams.
  • the interference pattern extends with respect to at least one spatial direction over an extension length of at least 0.5 mm and preferably at least 1 mm and particularly preferably at least 2 mm.
  • the interference pattern extends in the at least one spatial direction over a length of at most 10 mm.
  • the interference pattern is designed to be homogeneous or approximately homogeneous over the extension length in terms of its properties, such as with regard to a peak intensity and/or an intensity profile and/or a geometric shape of interference elements of the interference pattern.
  • the interference pattern is designed to be static in time (with static parameters in terms of the respective phase difference between the coherent laser beams).
  • the interference pattern is completely formed at a certain point in time with regard to its extension length.
  • all existing interference elements of the interference pattern are present at the same time.
  • the amplification device is based on a main propagation direction of the coherent laser beams
  • Phase adjustment device is arranged.
  • the respective phase difference between the coherent laser beams can be adjusted using the phase adjustment device at reduced power (compared to a power of the amplified coherent laser beams). This enables a technically simpler implementation of the phase adjustment device.
  • phase adjustment device it is also possible in principle for the phase adjustment device to be arranged after the amplification device.
  • the amplification device has a plurality of amplification elements for amplification of a respective coherent laser beam, and in particular characterized in that the amplification elements are rod-shaped and/or designed as fiber amplifiers.
  • the reinforcing elements can be arranged flexibly in particular geometrically. For example, these can be arranged as an array. This enables geometrically flexible and simple positioning and alignment of the amplified coherent laser beams coupled out of the amplification elements.
  • an amplification element is assigned to a specific coherent laser beam.
  • a main propagation direction of the amplified coherent laser beam coupled out of the respective reinforcing element is oriented parallel to a preferred direction and/or longitudinal central axis of the reinforcing element.
  • the amplification device is set up to adjust an output power of the respective amplified coherent laser beams and in particular to adjust the output power for each amplified coherent laser beam separately.
  • the output power of a specific amplified coherent laser beam can be adjusted by means of an amplification element assigned to this amplified coherent laser beam.
  • the output power can then preferably be controlled from zero to a maximum value. By choosing the output power of zero you can then a deactivation of the corresponding amplified coherent laser beam and in particular of the output laser beam formed from this takes place, so that in particular they no longer contribute to the formation of the interference pattern.
  • the laser system has a splitting device for splitting an input laser beam provided by the laser beam source into a plurality of coherent laser beams. This makes it possible, for example, to provide the existing coherent laser beams using a single laser beam source.
  • the laser system it is also possible for the laser system to have several laser beam sources, in which case one or more coherent laser beams are then provided by means of a respective laser beam source.
  • the laser system has a feed device for adjusting a position and/or orientation of the workpiece relative to the interference pattern.
  • the feed device is set up to carry out a movement of the workpiece relative to the interference pattern.
  • the workpiece can be arranged and/or fixed on a workpiece holder of the laser system in order to carry out the laser processing.
  • the laser beam source provides in particular pulsed laser radiation and in particular ultra-short pulse laser radiation.
  • the input laser beam provided by the laser beam source and/or the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams and/or the output laser beams are pulsed laser beams and in particular ultrashort pulse laser beams.
  • a plurality of coherent laser beams are provided by means of at least one laser beam source, coherent ones amplified by amplifying the coherent laser beams using an amplification device Laser beams are formed and a respective phase difference between the coherent laser beams is adjusted by means of a phase adjustment device, with output laser beams based on the amplified coherent laser beams or corresponding to the amplified coherent laser beams being formed, which converge to form the interference pattern in a beam convergence region, at least beam components in the beam convergence region from different output laser beams converge.
  • the method according to the invention in particular has one or more further features and/or advantages of the laser system according to the invention.
  • Advantageous embodiments have already been explained in connection with the laser system.
  • the method according to the invention can be carried out in particular by means of the laser system according to the invention.
  • the method according to the invention is carried out using the laser system according to the invention.
  • a first device and/or a first element of the laser system is arranged after a second device and/or a second element of the laser system is to be understood as meaning that the laser beams guided in the laser system, such as the input laser beam and/or the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams first hit the second device and/or the second element and then hit the first device and/or the first element.
  • the second device and/or the second element is then arranged in front of the first device and/or the first element. This information must always refer to the main propagation direction of the respective laser beams.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a laser system, with a beam path indicated in a first cross-sectional plane;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section of the laser system according to FIG. 1, with a beam path indicated in a second cross-sectional plane oriented perpendicular to the first cross-sectional plane;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a portion of an embodiment of the laser system with a focusing element for collimating and redirecting amplified coherent laser beams
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a section of an embodiment of the laser system with a plurality of focusing elements for collimating the respective amplified coherent laser beams and a beam deflecting device for deflecting them;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a section of a further embodiment of the laser system with a plurality of focusing elements
  • FIG. 6 is a schematic representation of a portion of an embodiment of the laser system without focusing elements
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a section of a further embodiment of the laser system without focusing elements
  • Fig. 10 is a grayscale representation of another example of an interference pattern provided for laser processing of a workpiece.
  • FIGS. 1, 2 and 3 An exemplary embodiment of a laser system is shown schematically in FIGS. 1, 2 and 3 and is designated 100 there.
  • several output laser beams 102 are provided, which form an interference pattern intended for laser processing of a workpiece 104.
  • the interference pattern formed is based in particular on the principle of direct laser interference patterning (DLIP).
  • DLIP direct laser interference patterning
  • the laser system 100 comprises a laser beam source 106, by means of which an input laser beam 108 is provided, the input laser beam 108 being split into a plurality of coherent laser beams 112 by means of a splitting device 110.
  • the laser beams provided by the laser beam source 106 are, for example, linearly polarized laser beams.
  • these laser beams have a high beam quality, with a beam quality factor and/or M 2 value being less than 1.5.
  • each of the coherent laser beams 112 has an average power in the range of 10 W and 500 W.
  • the laser beams provided by the laser beam source 106 are pulsed laser beams, laser pulses of these laser beams preferably have a pulse duration between 10 ps and 1000 ps and/or a repetition rate between 100 kHz and 1 MHz.
  • the splitting device 110 can, for example, be implemented in fiber optics and/or comprise at least one fiber optic beam splitter.
  • a fiber-optic beam splitter comprises, for example, an input waveguide, to which further waveguides are connected on the output side for beam splitting and are in particular connected by splicing.
  • laser beam sources 106 it is also possible for several laser beam sources 106 to be present to provide the coherent laser beams 112. For example, one or more coherent laser beams 112 are then provided by means of a respective laser beam source 106.
  • the coherent laser beams 112 coupled out of the splitting device 110 are preferably guided in optical waveguides and/or optical fibers, whereby the coherent laser beams 112 can each be guided in single core waveguides, for example, as indicated in FIG. 1.
  • a phase adjustment device 114 is provided, which preferably comprises a plurality of phase adjustment elements 116.
  • a phase of a coherent laser beam 112 assigned to it can be adjusted.
  • phase adjustment device 114 comprises, for example, N1 or N phase adjustment elements 116.
  • a respective phase difference between all existing coherent laser beams 112 can thereby be adjusted.
  • the phase adjustment device 114 and/or the phase adjustment elements 116 can, for example, be integrated into optical fibers in which the coherent laser beams 112 are guided.
  • the laser system 100 includes an amplification device 118, which preferably comprises a plurality of amplification elements 120.
  • an amplification element 120 is assigned to a specific coherent laser beam 112.
  • amplified coherent laser beams 113 are formed.
  • the amplification device 118 or the amplification elements 120 are arranged after the phase adjustment device 114 or the phase adjustment elements 116, i.e. the respective coherent laser beams 112 pass through the phase adjustment elements 116 first and then through the amplification elements 120.
  • the main propagation direction 122 is to be understood as meaning a respective main direction and/or middle direction of the input laser beam 108 or the coherent laser beams 112 or the amplified coherent laser beams 113 or the output laser beams 102, in which they propagate through the laser system 100.
  • the respective main propagation direction 122 corresponds to a main direction and/or middle direction of Poynting vectors assigned to the corresponding laser beam.
  • coherent laser beams 112 coupled out of the phase adjustment device 114 are coupled into the amplification device 118.
  • the respective phase differences between the coherent laser beams 112 are adjusted by means of the phase adjustment device 114 before they are coupled into the amplification device 118.
  • the reinforcing elements 118 can in particular be arranged and/or aligned separately and/or spatially separated from one another.
  • the Reinforcing elements 120 are, for example, rod-shaped and/or designed as fiber amplifiers.
  • the reinforcing elements 120 are or include “rod-type photonic crystal fiber amplifiers”, such as those from J. Limpert et al., “High-power rod-type photonic crystal fiber laser,” Opt. Express 13, 1055-1058 ( 2005) are known.
  • the amplification device 118 and/or the amplification elements 120 are designed as multi-core waveguides and/or are integrated into a multi-core waveguide.
  • the individual coherent laser beams 112 and/or amplified coherent laser beams 113 are then separated from one another, particularly in the far field.
  • the output laser beams 102 of the laser system 100 are to be understood as meaning those coherent laser beams which are amplified by the amplification device 118 during operation of the laser system 100 and are designed and/or set up in such a way that they form an interference pattern 124 intended for laser processing of the workpiece 104.
  • the output laser beams 102 are therefore the laser beams that contribute to and/or are set up to form the interference pattern 124.
  • the output laser beams 102 approach the interference pattern 124 convergently and/or coming from different directions.
  • the output laser beams 102 extend in particular in a beam convergence region 130 of the laser system 100 assigned to the interference pattern 124 or form a beam convergence region 130 of the laser system 100 assigned to the interference pattern 124.
  • the output laser beams 102 are therefore the laser beams that contribute to the formation of the interference pattern 124.
  • the output laser beams 102 are based on or correspond to the coherent laser beams 113 amplified by the amplification device 118.
  • the interference pattern 124 formed by means of the output laser beams 102 provided extends, for example, in a plane or in a three-dimensional volume.
  • the laser system 100 can have a workpiece holder 126, on which the workpiece 104 can be arranged and/or fixed in order to apply the interference pattern 124 to it.
  • the laser system 100 can have a feed device 128, which is set up to adjust a position and/or orientation of the workpiece 104 relative to the interference pattern 124 and/or which is set up to carry out a movement of the workpiece 104 relative to the interference pattern 124.
  • the feed device 128 is set up to move the workpiece holder 126 and the workpiece 104 arranged thereon relative to the interference pattern 124 and in particular to move them along a predetermined trajectory.
  • the output laser beams 102 contributing to its formation are oriented converging towards one another and have a non-vanishing angle to one another. More specifically, the respective main propagation directions 122 and/or Poynting vectors 132 of the adjacent output laser beams 102 have a non-vanishing angle to one another.
  • all existing output laser beams 102 are arranged in a common plane or surface (see, for example, the three output laser beams 102 shown in FIG. 1), with mutually adjacent output laser beams 102 having a non-vanishing first angle o to one another and each below this first Angle o converge towards each other, that is, output laser beams 102 adjacent to one another converge in the direction of the interference pattern 124 to be formed at the first angle o.
  • the first angle a extends in particular in a first direction and/or with respect to a first angular coordinate.
  • the resulting interference pattern 124 in this case extends two-dimensionally in the said common plane of the output laser beams 102 and in particular exclusively in this plane (in the example shown in FIG. 1, the z-x plane).
  • the first variant is realized in that the amplified coherent laser beams 113 emerging from the reinforcing elements 120 are positioned at a distance from one another in the first spatial direction x and are coupled into a focusing device 134 of the laser system 100.
  • the focusing device 134 has one or more focusing elements 136, each of which includes focusing optics and/or an F-theta lens or is designed as such.
  • the amplified coherent laser beams 113 incident on the focusing device 134 run, for example, parallel to one another and/or in a plane parallel to the first spatial direction x.
  • the reinforcing elements 120 and/or the amplified coherent laser beams 113 emerging from them are arranged as an array with respect to the first spatial direction x.
  • the amplified coherent laser beams 113 emerge in particular as a divergent beam 138 and/or as spherical waves or at least as partial regions of spherical waves from the respective reinforcing elements 120 (e.g. indicated in FIG. 6) and are incident on the focusing device 134 in this form.
  • the focusing device 134 is designed to collimate the respective amplified coherent laser beams 113 incident on it.
  • the output laser beams 102 which are each formed from an amplified coherent laser beam 113 incident on the focusing device 134, each emerge from the focusing device 134 as a collimated beam 140 and/or as plane waves (e.g. indicated in Fig. 3).
  • all amplified coherent laser beams 113 present have a single focusing element 136 assigned. Adjacent amplified coherent laser beams 113 impinge on the focusing element 136 with a spatial offset with respect to the first spatial direction 102 results.
  • the spatial offset of the amplified coherent laser beams 113 or the resulting first angle o can be the same for all or for a subset of the amplified coherent laser beams 113 or output laser beams 102. However, it is also possible for the spatial offset or first angle o between different adjacent amplified coherent laser beams 113 or output laser beams 102 to be selected differently.
  • the second variant can be realized in that there are both amplified coherent laser beams 113 which are spaced apart from one another in the first spatial direction x and amplified coherent laser beams 113 which are in a transverse direction to the first spatial direction x and in particular vertically oriented second spatial direction y are spaced apart from one another.
  • the reinforcing elements 120 and/or the amplified coherent laser beams 113 emerging from them are arranged as a two-dimensional array with respect to the first spatial direction x and the second spatial direction y.
  • output laser beams 102 which are adjacent to one another and which have a non-vanishing first angle o to one another and each converge towards one another at this first angle o (Fig. 1), as well as mutually adjacent output laser beams 102, which have a non-vanishing second angle ⁇ to one another and each converge at this second angle ⁇ (FIG. 2).
  • the second angle ⁇ extends in particular in a second direction and/or with respect to a second angular coordinate (relative to a specific output laser beam 102, from which the first angle o or second angle ⁇ to the adjacent output laser beams 102 is measured).
  • This second direction or second angular coordinate is different from the first direction or first angular coordinate of the first angle o.
  • the first direction is oriented transversely or perpendicular to the second direction.
  • the first angle o corresponds, for example, to the polar angle and the second angle ⁇ to the azimuth angle.
  • the interference pattern 124 formed in the case of the second variant extends three-dimensionally in space (in the example shown in FIG. 1 in all three spatial directions x, y and z).
  • the output laser beams 102 converging in the beam convergence region 130 are thus realized by means of the spatial offset of the amplified coherent laser beams 113 incident on the focusing element 136 and the resulting angular offset in the form of the first angle o and/or the second angle ⁇ .
  • the angular offset between adjacent output laser beams must be within a certain range.
  • the theoretically possible range in which the formation of the interference pattern 124 can take place is between 2° and 180°.
  • the first angle o and/or the second angle ⁇ preferably have values between 15° and 25°.
  • the example shown in Fig. 4 differs from the examples described above in that the focusing device 134 comprises a plurality of focusing elements 136 and that the laser system 100 has a beam deflection device 142 to form the angular offset between the output laser beams 102. Otherwise, this example has the same structure and/or functionality as the examples described above.
  • each of the reinforcing elements 120 and/or each of the amplified coherent laser beams 113 emerging from the reinforcing elements 120 is assigned a focusing element 136 and in particular a single focusing element 136.
  • the amplified coherent laser beams 113 emerge from the respectively assigned amplification elements 120 as divergent beams 138 and are converted into collimated beams 140 by means of the focusing elements 136.
  • the amplified coherent laser beams 113 emerging from the respective focusing elements 136 are, for example, oriented parallel to one another.
  • the focusing device 134 and/or the focusing elements 136 cause collimation of the respective amplified coherent laser beams 113 and in particular no focusing thereof.
  • the amplified coherent laser beams 113 emerging from the focusing elements 136 are coupled into the beam deflection device 142. This is set up to form the output laser beams 102 with the angular offset described above from the coupled-in amplified coherent laser beams 113.
  • the adjacent output laser beams 102 are then convergently aligned with one another and each have the non-vanishing first angle o and/or second angle ⁇ with respect to one another.
  • the steel deflection device 142 can, for example, have a plurality of mirror elements 144, which are set up and arranged in such a way that the converging output laser beams 102 are formed from the coupled-in amplified coherent laser beams 113, which are, for example, oriented parallel to one another.
  • the focusing device 134 analogous to the exemplary embodiment according to FIG. 4, has a plurality of focusing elements 136, with a specific focusing element 136 causing a collimation of the amplified coherent laser beam 113 assigned to it.
  • each reinforcing element 120 is assigned a focusing element 136.
  • the focusing elements 136 and/or the amplified coherent laser beams 113 striking the focusing elements 136 are set up and arranged in such a way that the laser beams emerging from the focusing elements 136 are already convergent to one another and have the described angular offset from one another in order to form the interference pattern 124. These emerging laser beams therefore correspond to the output laser beams 102 or have the described properties of the output laser beams 102.
  • the reinforcing elements 120 are arranged and/or set up in such a way that the coherent laser beams 120 coupled out of them and striking the focusing elements 136 already have the mentioned angular offset in the form of the first angle o and/or the second angle ⁇ .
  • the output laser beams 102 coupled out of the focusing elements 136 have the angular offset from one another in order to form the interference pattern 124.
  • the reinforcing elements 120 are, for example, rod-shaped and / or designed as “rod-type photonic crystal fiber amplifiers”, the respective main propagation direction 122 of the amplified coherent laser beam 113 emerging from a specific reinforcing element 120 being parallel or at least approximately parallel to a longitudinal central axis 146 of the Reinforcing element 120 is formed.
  • the longitudinal center axes 146 of adjacent reinforcing elements 120 are then aligned with one another with the angular offset in the form of the first angle o and/or the second angle ⁇ .
  • Respective center points of the reinforcing elements 120 are positioned, for example, in a circular and/or spherical manner.
  • the output laser beams 102 are each present as collimated beams of rays 140 and/or in the form of plane waves.
  • the output laser beams 102 are each assigned exactly one Poynting vector 132, which corresponds to the main propagation direction 122.
  • the Poynting vector 132 in this case is a globally uniform property of the respective collimated output laser beam 102.
  • the output laser beams 102 intended to form the interference pattern 124 are provided in the form of divergent beams 138 and/or spherical waves.
  • the Poynting vector 132 is always aligned perpendicular to the orientation of the wavefront of the spherical waves of a specific output laser beam 102 and is therefore locally differently oriented (indicated in FIG. 6).
  • the non-vanishing Poynting vectors 132 assigned to a specific output laser beam 102 thus cover a specific angular range.
  • the main propagation direction 122 of the output laser beam 102 is then to be understood as an averaged direction over all non-vanishing Poynting vectors 132.
  • the reinforcing elements 120 are arranged and/or set up in such a way that at least beam components of adjacent laser beams coupled out of these have Poynting vectors 132 with an angular offset in the form of the first angle o and/or the second angle ⁇ .
  • the reinforcing elements 120 are arranged and/or set up in such a way that the output laser beams 102 coupled out of them and hitting the focusing elements 136 already have the mentioned angular offset in the form of the first angle o and/or the second angle ⁇ .
  • the beam parts of the output laser beams 102 coupled out of the focusing elements 136 then have the appropriate angular offset from one another in order to form the interference pattern 124.
  • these laser beams emerging from the reinforcing elements 120 correspond to the output laser beams 102 or at least partially have the properties necessary to form the interference pattern 124.
  • no focusing device 134 and/or no focusing elements 136 are provided for collimating the laser beams emerging from the reinforcing elements 120.
  • the longitudinal center axes 146 of the reinforcing elements 120 and/or the main propagation directions 122 of adjacent output laser beams 102 are oriented parallel or at least approximately parallel.
  • the respective main propagation directions 122 of the adjacent output laser beams 102 can be angled converging towards each other (Fig. 7).
  • the main propagation directions 122 of the adjacent output laser beams 102 then have a non-vanishing first angle o and/or second angle ⁇ to one another, which can be between 1° and 180°, for example.
  • FIGS. 8a, 8b and 8c A first example of an interference pattern 124 formed by means of the laser system 100 is shown in FIGS. 8a, 8b and 8c as a grayscale representation at different scales, with lighter gray values representing higher intensities.
  • the interference pattern 124 has an interference element 150, which repeats itself several times in at least one spatial direction x, y, z, the repeating interference elements 150 being spaced apart from one another in this at least one spatial direction and in particular being arranged adjacent to one another at the same distance from one another.
  • the interference element 150 is designed as a single point and/or focus point.
  • the interference element 150 repeats itself flatly in the first spatial direction x and in the second spatial direction y or as a three-dimensional volume in all three spatial directions.
  • the interference element 150 in particular forms the interference pattern 124.
  • the interference element 150 is designed as a stripe-shaped and/or as a single focused stripe.
  • the interference element 150 consists of a dot pattern and/or a plurality of focused dots.
  • the laser system 100 works as follows:
  • the interference pattern 124 is formed by means of the output laser beams 102 and the workpiece 124 arranged on the workpiece holder 126 is acted upon by the interference pattern 124 in order to carry out the laser processing.
  • a typical application can, for example, be to carry out large-area machining of the workpiece 104 on an outside 152 of the workpiece 104 and/or in the area of an outside 152 of the workpiece 104.
  • periodic structures with predetermined properties can be generated on the outside 152 using the interference pattern 124.
  • the workpiece 124 is positioned and/or aligned relative to the interference pattern 124 by means of the feed device 128 in order to carry out the laser processing, and/or is moved relative to the interference pattern 124.
  • Phase differences can be adjusted using the phase adjustment elements 116, corresponding to the phase differences between the amplified coherent ones Laser beams 113 and/or between the output laser beams 102 change. This allows properties of the interference pattern 124 and/or the interference elements 150 of the interference pattern 124 to be adjusted.
  • a distance 154 between mutually adjacent interference elements 150 can be adjusted.
  • a periodicity of the interference elements 150 can be adjusted, such as a regularity of the positioning of the interference elements 150.
  • an intensity profile and/or a geometric shape of the interference elements 150 can be adjusted.
  • the interference elements 150 and/or selected interference elements 150 can be scanned over the workpiece 104 by controlling the phase differences and in particular exclusively by controlling the phase differences using the phase adjustment elements 116.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104) mittels eines Interferenzmusters (124), umfassend mindestens eine Laserstrahlquelle (106) zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (112), eine Verstärkungseinrichtung (118) zur Ausbildung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (112), eine Phaseneinstelleinrichtung (114) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (112) und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) und einen Strahlkonvergenzbereich (130), in welchem auf den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) basierende oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) entsprechende Ausgangslaserstrahlen (102) zur Ausbildung des Interferenzmusters (104) konvergieren, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich (130) zumindest Strahlanteile von unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen (102) konvergieren.

Description

Lasersystem und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels eines Interferenzmusters.
Aus der DE 10 2008 037 042 Al ist eine Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls bekannt, umfassend Symmetrisiermittel, die derart mit dem zu formenden Laserstrahl wechselwirken können, dass nach der Wechselwirkung zumindest zwei in Querrichtung des Laserstrahls unterschiedliche Abschnitte oder Teilstrahlen des Laserstrahls zumindest punktweise oder bereichsweise räumlich kohärent zueinander sind, und Überlagerungsmittel zur Überlagerung der mindestens zwei Abschnitte oder Teilstrahlen miteinander, wobei die Überlagerungsmittel im Strahlweg des Laserstrahls hinter den Symmetrisiermitteln angeordnet sind.
Aus der DE 10 2018 105 254 B4 ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Objektes mittels interferierender Laserstrahlen bekannt, wobei ein kollimierter Laserstrahl erzeugt wird, die Intensitätsverteilung und/oder der Phasenverlauf über den Querschnitt des Laserstrahls beeinflusst wird, der Laserstrahls in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, und die Teilstrahlen abgelenkt und fokussiert werden, sodass die Teilstrahlen in einer Bearbeitungszone in dem Material des Objektes zur Überlagerung kommen, wobei die Ablenkung und Fokussierung der Teilstrahlen eine Aberrationskorrektur umfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Lasersystem und Verfahren bereitzustellen, welche flexibel und vielseitig einsetzbar sind sowie ein hohes Maß an Kontrolle von Eigenschaften des zur Laserbearbeitung des Werkstücks vorgesehenen Interferenzmusters ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Lasersystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Lasersystem mindestens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen umfasst, eine Verstärkungseinrichtung zur Ausbildung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen, eine Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen und einen Strahlkonvergenzbereich, in welchem auf den verstärkten kohärenten Laserstrahlen basierende oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen entsprechende Ausgangslaserstrahlen zur Ausbildung des Interferenzmusters konvergieren, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich zumindest Strahlanteile von unterschiedlichen und/oder benachbarten Ausgangslaserstrahlen konvergieren.
Mittels des Lasersystems und des ausgebildeten Interferenzmusters lässt sich insbesondere eine Laserbearbeitung des Werkstücks nach dem Prinzip der direkten Laserinterferenzstrukturierung durchführen, welche auch als "Direct Laser Interference Patterning" (DLIP) bezeichnet wird.
Beispielsweise wird eine Laserbearbeitung des Werkstücks mittels des bereitgestellten Interferenzmusters im Bereich seiner Außenseite und/oder Oberfläche durchgeführt. Die Außenseite bzw. Oberfläche wird zur Laserbearbeitung mit dem Interferenzmuster beaufschlagt, um dort flächig Materialmodifikationen mit vorgegebenen Eigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise lässt sich durch Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Interferenzmuster an der Außenseite Material abtragen, oder es lassen sich Vertiefungen oder "Dimple-artige" Strukturen erzeugen.
Mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems lassen sich beispielsweise Werkstücke bearbeiten, welche aus einem Glasmaterial und/oder Kunststoffmaterial und/oder metallischem Material gebildet sind oder ein solches umfassen.
Das erfindungsgemäße Lasersystem ermöglicht es beispielsweise, einen mittels der Laserstrahlquelle bereitgestellten Eingangslaserstrahl in die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen aufzuteilen und die jeweiligen kohärenten Laserstrahlen dann zu verstärken und insbesondere jeweils räumlich getrennt voneinander zu verstärken. Die Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen kann beispielsweise mit getrennten Verstärkungselementen erfolgen. Dies ermöglicht eine räumlich flexible Positionierung und Ausrichtung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen, auf deren Basis die Ausgangslaserstrahlen ausgebildet werden. Darunter, dass zumindest Strahlanteile der unterschiedlichen und/oder benachbarten Ausgangslaserstrahlen konvergieren, ist zu verstehen, dass die unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen oder Anteile der unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen zur Ausbildung des Interferenzmusters konvergieren und/oder aufeinander zulaufen. Genauer gesagt konvergieren den unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen bzw. den Anteilen der unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen zugeordnete Poynting-Vektoren.
Ein kohärenter Laserstrahl und/oder verstärkter kohärenter Laserstrahl und/oder Ausgangslaserstrahl liegt insbesondere jeweils in Form eines Strahlenbündels und/oder einer Summe von Teilstrahlen mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung vor. Insbesondere sind diesem Strahlenbündel bzw. diesen Teilstrahlen jeweils ein Poynting-Vektor mit einer bestimmten Richtung oder mehrere Poynting-Vektoren mit unterschiedlichen Richtungen zugeordnet.
Unter unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen sind insbesondere Ausgangslaserstrahlen zu verstehen, welche aus unterschiedlichen und/oder benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen ausgebildet sind und/oder resultieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Phaseneinstelleinrichtung und die Verstärkungseinrichtung und/oder eine Aufteilungseinrichtung des Lasersystems als separate Komponenten des Lasersystems ausgebildet sind.
Insbesondere sind die kohärenten Laserstrahlen und/oder die verstärkten kohärenten Laserstrahlen innerhalb des Lasersystems als zumindest abschnittsweise in Lichtwellenleitern und insbesondere Einzelkernwellenleitern geführt. Insbesondere sind die kohärenten Laserstrahlen zwischen der Aufteilungseinrichtung und der Phaseneinstelleinrichtung und/oder zwischen der Phaseneinstelleinrichtung und den Verstärkungselementen jeweils in Lichtwellenleitern und insbesondere Einzelkernwellenleitern geführt. Es lässt sich dadurch insbesondere eine besonders flexible Positionierung und/oder Ausrichtung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder der Ausgangslaserstrahlen ermöglichen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die in dem Strahlkonvergenzbereich vorliegenden zueinander benachbarten Ausgangslaserstrahlen zumindest Strahlanteile aufweisen, welche einen Winkel von mindestens 0,2° und/oder höchstens 40° und bevorzugt von mindestens 1° und/oder höchstens 5° einschließen. Es lässt sich dadurch das Interferenzmuster auf technisch einfache Weise ausbilden.
Unter zueinander benachbarten Ausgangslaserstrahlen sind zueinander unmittelbar benachbarte Ausgangslaserstrahlen und/oder zueinander nächstliegende Ausgangslaserstrahlen und/oder Ausgangsstrahlen, welche zueinander nächste Nachbarn sind, zu verstehen. Insbesondere sind zwischen zueinander benachbarten Ausgangslaserstrahlen keine weiteren Ausgangslaserstrahlen angeordnet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in dem Strahlkonvergenzbereich zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen Strahlanteile aufweisen, die einen einer ersten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden ersten Winkel einschließen, wobei der erste Winkel mindestens 0,2° und/oder höchstens 40° beträgt und bevorzugt mindestens 1° und/oder höchstens 5° beträgt. Es lässt sich dadurch beispielsweise das Interferenzmuster zweidimensional ausbilden.
Dann kann es vorgesehen sein, dass in dem Strahlkonvergenzbereich zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen Strahlanteile aufweisen, die einen einer von der ersten Winkelkoordinate verschiedenen zweiten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden zweiten Winkel einschließen, wobei der zweite Winkel mindestens 0,2° und/oder höchstens 40° beträgt und bevorzugt mindestens 1° und/oder höchstens 5° beträgt. In diesem Fall sind in dem Strahlkonvergenzbereich insbesondere sowohl benachbarte Ausgangslaserstrahlen vorhanden, welche zueinander den nichtverschwindenden ersten Winkel einschließen, als auch Ausgangslaserstrahlen, welche zueinander den nichtverschwindenden zweiten Winkel einschließen.
Darunter, dass Strahlanteile zueinander benachbarter Ausgangslaserstrahlen einen nichtverschwindenden Winkel einschließen, ist zu verstehen, dass zumindest Strahlanteilen der benachbarten Ausgangslaserstrahlen Poynting- Vektoren zugeordnet sind, welche zueinander den genannten nichtverschwindenden ersten Winkel bzw. zweiten Winkel einschließen.
Der erste Winkel erstreckt sich in einer ersten Richtung und/oder bezüglich einer ersten Winkelkoordinate. Der zweite Winkel erstreckt sich insbesondere in eine zweite Richtung und/oder bezüglich einer zweiten Winkelkoordinate (bezogen auf einen bestimmten Ausgangslaserstrahl, von welchem ausgehend der erste Winkel bzw. der zweite Winkel zu den benachbarten Ausgangslaserstrahlen gemessen wird). Diese zweite Richtung bzw. zweite Winkelkoordinate ist von der ersten Richtung bzw. ersten Winkelkoordinate des ersten Winkels o verschieden. Insbesondere ist die erste Richtung bzw. erste Winkelkoordinate quer oder senkrecht zur zweiten Richtung bzw. zweiten Winkelkoordinate orientiert.
Bei einer Beschreibung einer Orientierung der Ausgangslaserstrahlen in Kugelkoordinaten entspricht der ersten Winkel beispielsweise dem Polarwinkel und der zweite Winkel ß dem Azimutwinkel.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in dem Strahlkonvergenzbereich vorhandene benachbarte Ausgangslaserstrahlen und insbesondere alle in dem Strahlkonvergenzbereich vorhandenen benachbarten Ausgangslaserstrahlen derart zueinander ausgerichtet sind, dass jeweils zwei zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen entweder Strahlanteile aufweisen, welche einen nichtverschwindenden ersten Winkel einschließen, oder Strahlanteile aufweisen, welche einen nichtverschwindenden zweiten Winkel einschließen. Insbesondere weisen dann jeweils zwei benachbarte Ausgangslaserstrahlen, welche einen nichtverschwindenden ersten Winkel einschließen, einen verschwindenden zweiten Winkel auf, oder umgekehrt. Dies lässt sich beispielsweise realisieren, indem ein zweidimensionales Array aus verstärkten kohärenten Laserstrahlen auf eine Fokussiereinrichtung trifft, um die Ausgangslaserstrahlen auszubilden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Ausgangslaserstrahlen in dem Strahlkonvergenzbereich als kollimierte Strahlenbündel und/oder ebene Wellen vorliegen. Insbesondere liegen die Ausgangslaserstrahlen in dem Strahlkonvergenzbereich als kollimierte Gaußstrahlen oder kollimierte gaußähnliche Strahlen vor. Insbesondere liegen die jeweiligen Ausgangslaserstrahlen in dem Strahlkonvergenzbereich nicht als konvergierende Strahlen vor. Das bedeutet, dass ein bestimmter Ausgangslaserstrahl keine konvergierenden Strahlanteile und/oder Teilstrahlen aufweist. Insbesondere wird ein bestimmter Ausgangslaserstrahl nicht in einen Punkt fokussiert.
Dann ist jedem Ausgangslaserstrahl insbesondere ein einziger Poynting-Vektor mit einer eindeutigen Orientierung zugeordnet. Die jeweiligen Poynting-Vektoren dienen dann als Referenz zur Angabe des ersten Winkels und/oder des zweiten Winkel zwischen zwei benachbarten Ausgangslaserstrahlen. Insbesondere entspricht in diesem Fall der Poynting-Vektor eines bestimmten Ausgangslaserstrahls seiner Haupt-Propagationsrichtung.
Insbesondere laufen im Fall der als kollimierte Strahlenbündel vorliegende Ausgangslaserstrahlen die Ausgangslaserstrahlen in dem Strahlkonvergenzbereich zur Ausbildung des Interferenzmusters aufeinander zu, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen einen der ersten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden ersten Winkel einschließen, und/oder wobei in dem Strahlkonvergenzbereich zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen einen der zweiten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden zweiten Winkel einschließen.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Ausgangslaserstrahlen in dem Strahlkonvergenzbereich als divergente Strahlenbündel und/oder Kugelwellen und/oder Teilkugelwellen vorliegen. Unter einer Teilkugelwelle ist ein geometrischer Teilbereich und/oder ein Abschnitt einer Kugelwelle zu verstehen.
Dann ist insbesondere jedem Ausgangslaserstrahl eine Vielzahl von Poynting- Vektoren zugeordnet, wobei eine Richtung der Poynting-Vektoren für unterschiedliche Strahlanteile eines bestimmten Ausgangslaserstrahls unterschiedlich sein kann. Die jeweiligen Poynting-Vektoren dienen dann als Referenz zur Angabe des ersten Winkels und/oder des zweiten Winkel zwischen jeweiligen Strahlanteilen von zwei benachbarten Ausgangslaserstrahlen. Eine Haupt-Propagationsrichtung eines bestimmten Ausgangslaserstrahls entspricht dann insbesondere einer gemittelten Richtung über alle nichtverschwindenden Poynting-Vektoren des Ausgangslaserstrahls.
Im Fall der als divergente Strahlenbündel vorliegende Ausgangslaserstrahlen weisen diese insbesondere lediglich Strahlanteile auf, welche in dem Strahlkonvergenzbereich zur Ausbildung des Interferenzmusters aufeinander zulaufen, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich lediglich Strahlanteile zueinander benachbarter Ausgangslaserstrahlen einen der ersten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden ersten Winkel einschließen, und/oder wobei in dem Strahlkonvergenzbereich lediglich Strahlanteile zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen einen der zweiten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden zweiten Winkel einschließen. Insbesondere weisen die zueinander benachbarten Ausgangslaserstrahlen in diesem Fall noch andere Strahlanteile auf, welche nicht aufeinander zulaufen, und/oder welche nicht den genannten ersten Winkel und/oder zweiten Winkel einschließen.
Die Ausgangslaserstrahlen werden insbesondere durch Kollimation und/oder Umlenkung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen ausgebildet. Die Umlenkung erfolgt insbesondere derart, dass die Ausgangslaserstrahlen konvergieren, um das Interferenzmuster auszubilden.
Aus der Verstärkungseinrichtung und/oder aus Verstärkungselementen der Verstärkungseinrichtung ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen liegen insbesondere als divergente Strahlenbündel und/oder als Kugelwellen und/oder Teilkugelwellen vor.
Günstig kann es sein, wenn das Lasersystem eine Fokussiereinrichtung zur Kollimation und/oder Umlenkung von auf die Fokussiereinrichtung einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen aufweist. Es lassen sich dadurch beispielsweise als divergente Strahlenbündel vorliegende verstärkte kohärente Laserstrahlen kollimieren, um die Ausgangslaserstrahlen kollimiert bereitzustellen. Die Fokussiereinrichtung kann grundsätzlich ein oder mehrere Fokussierelemente zur Kollimation und/oder Umlenkung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen aufweisen. Beispielsweise ist oder umfasst das Fokussierelement ein F-Theta- Objektiv.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Fokussiereinrichtung ein Fokussierelement und insbesondere ein einziges Fokussierelement auf, wobei auf das Fokussierelement mehrere und insbesondere alle vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen einfallen und wobei die verstärkten kohärenten Laserstrahlen mittels des Fokussierelements kollimiert und umgelenkt werden, um die Ausgangslaserstrahlen bereitzustellen. Es lässt sich dadurch das Lasersystem kompakt und mit einer verringerten Anzahl an optischen Komponenten ausführen.
Insbesondere wird mittels des Fokussierelements ein Ortsversatz von auf dieses einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen in einen Winkelversatz umgewandelt.
Beispielsweise sind die auf das Fokussierelement einfallenden benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen bezüglich einer ersten Raumrichtung und/oder bezüglich einer zweiten Raumrichtung mit einem Ortsversatz positioniert, wobei die zweite Raumrichtung quer und insbesondere senkrecht zur ersten Raumrichtung orientiert ist. Aus diesem Ortsversatz wird dann mittels des Fokussierelements ein Winkelversatz zwischen benachbarten austretenden Laserstrahlen ausgebildet. Diese austretenden Laserstrahlen entsprechen insbesondere den Ausgangslaserstrahlen. Es lässt sich somit der Winkel und/oder erste Winkel und/oder zweite Winkel zwischen den Ausgangslaserstrahlen ausbilden.
Beispielsweise sind die auf das Fokussierelement einfallenden benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen als eindimensionales oder zweidimensionales Array bezüglich der ersten Raumrichtung und/oder der zweiten Raumrichtung positioniert. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Fokussiereinrichtung mehrere Fokussierelemente auf, wobei einem verstärkten kohärenten Laserstrahl jeweils ein Fokussierelement zugeordnet ist und wobei die verstärkten kohärenten Laserstrahlen jeweils mittels des zugeordneten Fokussierelements kollimiert werden.
Insbesondere weisen dann die auf das jeweilige Fokussierelement einfallenden und aus diesem austretenden verstärkten kohärenten dieselbe Haupt- Propagationsrichtung auf. Die auf das Fokussierelement einfallenden und/oder austretenden benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen weisen beispielsweise bezüglich der ersten Raumrichtung und/oder der zweiten Raumrichtung einen Ortsversatz auf und sind insbesondere bezüglich der ersten Raumrichtung und/oder der zweiten Raumrichtung als Array positioniert.
Zur Umlenkung der aus den jeweiligen Fokussierelementen austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen kann dann insbesondere eine Strahlumlenkeinrichtung vorgesehen sein, um die in dem Strahlkonvergenzbereich konvergierenden Ausgangslaserstrahlen auszubilden.
Bei einer Variante ist es vorgesehen, dass sowohl die auf die Fokussierelemente einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen als auch die aus diesen austretenden Laserstrahlen konvergierend positioniert sind. Beispielsweise sind dann Verstärkungselemente der Verstärkungseinrichtung und/oder die Fokussierelemente kreisförmig und/oder kugelförmig positioniert. Dadurch ist dann insbesondere keine separate Strahlumlenkeinrichtung erforderlich.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die vorhandenen Fokussierelemente und/oder die auf die vorhandenen Fokussierelemente einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen derart eingerichtet und angeordnet sind, dass aus den Fokussierelementen austretende Laserstrahlen den Strahlkonvergenzbereich ausbilden und den Ausgangslaserstrahlen entsprechen. Insbesondere erfolgt dann keine weitere Umlenkung und/oder Strahlformung der aus den Fokussierelementen austretenden Laserstrahlen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokussierelemente und/oder die auf die Fokussierelemente einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen derart eingerichtet und angeordnet sind, dass aus den Fokussierelementen austretende Laserstrahlen zur Ausbildung des Interferenzmusters konvergieren. Insbesondere ist dann keine separate Strahlumlenkeinrichtung erforderlich. Die austretenden Laserstrahlen bilden dann den Strahlkonvergenzbereich aus und entsprechen den Ausgangslaserstrahlen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Lasersystem eine Strahlumlenkeinrichtung zur Umlenkung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen aufweist, um die im Strahlkonvergenzbereich konvergierenden Ausgangslaserstrahlen auszubilden. Die Strahlumlenkeinrichtung weist beispielsweise eine Mehrzahl von Spiegelelementen auf, welche eingerichtet und angeordnet sind, die in die Strahlumlenkeinrichtung eintretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen umzulenken.
Bei einer Variante kann es vorgesehen sein, dass die aus der Verstärkungseinrichtung ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen als divergente Strahlenbündel vorliegen, wobei eine Haupt-Propagationsrichtung von benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen parallel oder quer orientiert ist und wobei die verstärkten kohärenten Laserstrahlen den Ausgangslaserstrahlen entsprechen. Durch eine Anordnung der benachbarten kohärenten Laserstrahlen quer zueinander lassen sich bei dieser Variante insbesondere Strahlanteile der Ausgangslaserstrahlen erhöhen, welche zur Ausbildung des Interferenzmusters beitragen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Interferenzmuster mindestens ein Interferenzelement zur Laserbearbeitung des Werkstücks aufweist, welches sich innerhalb des Interferenzmusters wiederholt und insbesondere mit regelmäßigen Abständen und insbesondere gleichen Abständen wiederholt. Dadurch lassen sich beispielsweise regelmäßige und/oder periodische Strukturen an dem Werkstück erzeugen. Das Interferenzmuster kann grundsätzlich eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional ausgebildet sein. Beispielsweise wird das Interferenzelement in einer, zwei oder drei räumlichen Dimensionen wiederholt.
Beispielsweise ist oder umfasst das Interferenzelement mindestens einen fokussierten Punkt und/oder mindestens eine fokussierte Linie, wie z.B. ein Muster aus Punkten und/oder Linien. Der mindestens eine fokussierte Punkt und/oder die mindestens eine fokussierte Linie dienen zur Laserbearbeitung des Werkstücks und weisen insbesondere eine oberhalb einer Schwelle liegende Intensität auf, welche zur Durchführung der Laserbearbeitung des Werkstücks erforderlich ist.
Günstig kann es sein, wenn das Interferenzelement innerhalb des Interferenzmusters mindestens 10-mal und insbesondere mindestens 100-mal und insbesondere mindestens 1000-mal wiederholt wird. Es lassen sich dadurch insbesondere großflächige periodische Strukturen an dem Werkstück in einem oder wenigen Arbeitsschritten erzeugen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Phaseneinstelleinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Phasendifferenz zwischen allen vorhandenen kohärenten Laserstrahlen einzustellen und insbesondere separat einzustellen. Insbesondere ist die Phaseneinstelleinrichtung dazu eingerichtet, eine Phasenlage von jedem der kohärenten Laserstrahlen separat einzustellen.
Insbesondere umfasst die Phaseneinstelleinrichtung eine Mehrzahl von Phaseneinstellelementen, wobei vorzugsweise jedem kohärenten Laserstrahl ein Phaseneinstellelement zugeordnet ist. Die Einstellung der Phasenlage eines bestimmten kohärenten Laserstrahls kann dann beispielsweise mittels des diesem zugeordneten Phaseneinstellelement erfolgen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn durch Einstellung und/oder Steuerung der Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen mittels der Phaseneinstelleinrichtung mindestens eine Eigenschaft des Interferenzmusters und/oder des Interferenzelements variierbar ist oder variiert wird. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine dynamische Bearbeitung des Werkstücks durchführen. Das Interferenzmuster lässt sich dadurch ferner auf technisch einfache Weise an unterschiedliche Anwendungen anpassen.
Die mindestens eine Eigenschaft umfasst insbesondere einen Abstand der Interferenzelemente und/oder eine Periodizität der Interferenzelemente und/oder eine Spitzenintensität der Interferenzelemente und/oder ein Intensitätsprofil der Interferenzelemente und/oder eine geometrische Form der Interferenzelemente.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass im Betrieb des Lasersystems zumindest eine Teilmenge der Interferenzelemente des Interferenzmusters durch Steuerung und insbesondere ausschließlich durch Steuerung der Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen relativ zu dem Werkstück bewegt wird und/oder über das Werkstück gescannt wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich das Interferenzmuster bezüglich mindestens einer Raumrichtung über eine Erstreckungslänge von mindestens 0,5 mm und bevorzugt mindestens 1 mm und besonders bevorzugt mindestens 2 mm erstreckt. Beispielsweise erstreckt sich das Interferenzmuster in der mindestens einen Raumrichtung über eine Erstreckungslänge von höchstens 10 mm.
Insbesondere ist das Interferenzmuster über die Erstreckungslänge hinsichtlich seiner Eigenschaften homogen oder näherungsweise homogen ausgebildet, wie z.B. hinsichtlich einer Spitzenintensität und/oder eins Intensitätsprofils und/oder einer geometrischen Form von Interferenzelementen des Interferenzmusters.
Insbesondere ist das Interferenzmuster zeitlich statisch ausgebildet (bei zeitlich statischen Parametern hinsichtlich der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen). Insbesondere ist das Interferenzmuster hinsichtlich seiner Erstreckungslänge zu einem bestimmten Zeitpunkt vollständig ausgebildet. Insbesondere liegen alle vorhandenen Interferenzelemente des Interferenzmusters gleichzeitig vor.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Verstärkungseinrichtung bezüglich einer Haupt-Propagationsrichtung der kohärenten Laserstrahlen nach der Phaseneinstelleinrichtung angeordnet ist. Es lässt sich dadurch insbesondere die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen mittels der Phaseneinstelleinrichtung bei verringerter Leistung einstellen (verglichen mit einer Leistung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen). Dies ermöglicht eine technisch einfachere Realisierung der Phaseneinstelleinrichtung.
Es ist allerdings grundsätzlich auch möglich, dass die Phaseneinstelleinrichtung nach der Verstärkungseinrichtung angeordnet ist.
Günstig kann es sein, wenn die Verstärkungseinrichtung mehrere Verstärkungselemente zur Verstärkung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls aufweist, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente stabförmig und/oder als Faserverstärker ausgebildet sind. Die Verstärkungselemente lassen sich insbesondere geometrisch flexibel anordnen. Beispielsweise lassen sich diese als Array anordnen. Dies ermöglicht eine geometrisch flexible und einfache Positionierung und Ausrichtung der aus den Verstärkungselementen ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen.
Insbesondere ist ein Verstärkungselement jeweils einem bestimmten kohärenten Laserstrahl zugeordnet. Insbesondere ist eine Haupt-Propagationsrichtung des aus dem jeweiligen Verstärkungselement ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahls parallel zu einer Vorzugsrichtung und/oder Längsmittelachse des Verstärkungselements orientiert.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Ausgangsleistung der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen einzustellen und insbesondere die Ausgangsleistung für jeden verstärkten kohärenten Laserstrahl separat einzustellen. Beispielsweise kann die Ausgangsleistung eines bestimmten verstärkten kohärenten Laserstrahls mittels eines diesem verstärkten kohärenten Laserstrahls zugeordneten Verstärkungselements eingestellt werden.
Vorzugsweise lässt sich dann die Ausgangsleistung von Null bis zu einem Maximalwert steuern. Durch eine Wahl der Ausgangsleistung von Null kann dann eine Deaktivierung des entsprechenden verstärkten kohärenten Laserstrahls und insbesondere des aus diesem ausgebildeten Ausgangslaserstrahls erfolgen, sodass diese insbesondere nicht mehr zur Ausbildung des Interferenzmusters beitragen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Lasersystem eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines mittels der Laserstrahlquelle bereitgestellten Eingangslaserstrahls in mehrere kohärente Laserstrahlen aufweist. Es lassen sich dadurch beispielsweise die vorhandenen kohärenten Laserstrahlen mittels einer einzigen Laserstrahlquelle bereitstellen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass das Lasersystem mehrere Laserstrahlquellen aufweist, wobei dann mittels einer jeweiligen Laserstrahlquelle ein oder mehrere kohärente Laserstrahlen bereitgestellt werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Lasersystem eine Vorschubeinrichtung zur Einstellung einer Position und/oder Orientierung des Werkstücks relativ zu dem Interferenzmuster aufweist. Insbesondere ist die Vorschubeinrichtung zur Durchführung einer Bewegung des Werkstücks relativ zu dem Interferenzmuster eingerichtet.
Insbesondere ist das Werkstück zur Durchführung der Laserbearbeitung an einer Werkstückhalterung des Lasersystems anordenbar und/oder fixierbar.
Die Laserstrahlquelle stellt insbesondere gepulste Laserstrahlung und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlung bereit. Insbesondere sind der mittels der Laserstrahlquelle bereitgestellte Eingangslaserstrahl und/oder die kohärenten Laserstrahlen und/oder die verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder die Ausgangslaserstrahlen gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Erfindungsgemäß ist es bei dem eingangs genannten Verfahren vorgesehen, dass mittels mindestens einer Laserstrahlquelle eine Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bereitgestellt wird, durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen mittels einer Verstärkungseinrichtung verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgebildet werden und eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen mittels einer Phaseneinstelleinrichtung eingestellt wird, wobei auf den verstärkten kohärenten Laserstrahlen basierende oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen entsprechende Ausgangslaserstrahlen ausgebildet werden, welche zur Ausbildung des Interferenzmusters in einem Strahlkonvergenzbereich konvergieren, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich zumindest Strahlanteile von unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen konvergieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Lasersystems auf. Vorteilhafte Ausführungsformen wurden bereits im Zusammenhang mit dem Lasersystem erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems ausführbar. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems ausgeführt.
Darunter, dass eine erste Einrichtung und/oder ein erstes Element des Lasersystems nach einer zweiten Einrichtung und/oder einem zweiten Element des Lasersystems angeordnet ist, ist vorliegend zu verstehen, dass die in dem Lasersystem geführten Laserstrahlen, wie z.B. der Eingangslaserstrahl und/oder die kohärenten Laserstrahlen und/oder die verstärkten kohärenten Laserstrahlen, zeitlich zuerst auf die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element treffen und anschließend auf die erste Einrichtung und/oder das erste Element. Die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element ist dann vor der ersten Einrichtung und/oder dem ersten Element angeordnet. Diese Angaben sind stets auf die Haupt-Propagationsrichtung der jeweiligen Laserstrahlen zu beziehen.
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 eines Lasersystems, wobei ein Strahlenverlauf in einer ersten Querschnittsebene angedeutet ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Lasersystems gemäß Fig. 1, wobei ein Strahlenverlauf in einer zur ersten Querschnittsebene senkrecht orientierten zweiten Querschnittsebene angedeutet ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Ausführungsform des Lasersystems mit einem Fokussierelement zur Kollimation und Umlenkung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Ausführungsform des Lasersystems mit einer Mehrzahl von Fokussierelementen zur Kollimation der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen und einer Strahlumlenkeinrichtung zu deren Umlenkung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform des Lasersystems mit einer Mehrzahl von Fokussierelementen ;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Ausführungsform des Lasersystems ohne Fokussierelemente;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform des Lasersystems ohne Fokussierelemente;
Fig. 8a-8c Graustufendarstellungen eines Beispiels eines zur Laserbearbeitung eines Werkstücks vorgesehenen Interferenzmusters bei unterschiedlichen Maßstäben; Fig. 9a-9c Graustufendarstellungen eines weiteren Beispiels eines zur Laserbearbeitung eines Werkstücks vorgesehenen Interferenzmusters bei unterschiedlichen Maßstäben; und
Fig. 10 eine Graustufendarstellung eines weiteren Beispiels eines zur Laserbearbeitung eines Werkstücks vorgesehenen Interferenzmusters.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems ist in den Fig. 1, 2 und 3 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Im Betrieb des Lasersystems 100 werden mehrere Ausgangslaserstrahlen 102 bereitgestellt, welche ein zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 104 vorgesehenes Interferenzmuster ausbilden. Das ausgebildete Interferenzmuster basiert insbesondere auf dem Prinzip der direkten Laserinterferenzstrukturierung (engl. Direct Laser Interference Patterning, DLIP).
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Lasersystem 100 eine Laserstrahlquelle 106, mittels welcher ein Eingangslaserstrahl 108 bereitgestellt wird, wobei der Eingangslaserstrahl 108 mittels einer Aufteilungseinrichtung 110 in eine Vielzahl von kohärenten Laserstrahlen 112 aufgeteilt wird.
Die mittels der Laserstrahlquelle 106 bereitgestellten Laserstrahlen, wie z.B. der Eingangslaserstrahls 108 und/oder die kohärenten Laserstrahlen 112, sind beispielsweise linear polarisierte Laserstrahlen. Insbesondere weisen diese Laserstrahlen eine hohe Strahlqualität auf, wobei ein Strahlqualitätsfaktor und/oder M2-Wert kleiner als 1,5 ist.
Insbesondere weist jeder der kohärenten Laserstrahlen 112 eine mittlere Leistung im Bereich von 10 W und 500 W auf.
Insbesondere sind die mittels der Laserstrahlquelle 106 bereitgestellten Laserstrahlen gepulste Laserstrahlen, wobei Laserpulse dieser Laserstrahlen vorzugsweise eine Pulsdauer zwischen 10 ps und 1000 ps und/oder eine Repetitionsrate zwischen 100 kHz und 1 MHz aufweisen.
Die Aufteilungseinrichtung 110 kann beispielsweise faseroptisch realisiert sein und/oder mindestens einen faseroptischen Strahlteiler umfassen. Ein faseroptischer Strahlteiler umfasst beispielsweise einen Eingangswellenleiter, mit welchem ausgangsseitig weitere Wellenleiter zur Strahlaufteilung verbunden sind und insbesondere durch Spleißen verbunden sind.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen 112 mehrere Laserstrahlquellen 106 vorhanden sind. Beispielsweise werden dann mittels einer jeweiligen Laserstrahlquelle 106 ein oder mehrere kohärente Laserstrahlen 112 bereitgestellt.
Die aus der Aufteilungseinrichtung 110 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 112 sind vorzugsweise in Lichtwellenleitern und/oder Lichtleitfasern geführt, wobei die kohärenten Laserstrahlen 112 beispielsweise, wie in Fig. 1 angedeutet, jeweils in Einzelkernwellenleitern geführt sein können. Es ist grundsätzlich auch möglich, zur Führung der kohärenten Laserstrahlen 112 Multikernwellenleiter vorzusehen.
Zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 112 ist eine Phaseneinstelleinrichtung 114 vorgesehen, welche vorzugsweise mehrere Phaseneinstellelemente 116 umfasst. Mittels eines bestimmten Phaseneinstellelements 116 ist eine Phase eines diesem zugeordneten kohärenten Laserstrahls 112 einstellbar.
Beispielsweise ist mehreren oder allen kohärenten Laserstrahlen 112 jeweils ein Phaseneinstellelement 116 zugeordnet. Im Fall von N kohärenten Laserstrahlen 112 umfasst die Phaseneinstelleinrichtung 114 beispielsweise N-l oder N Phaseneinstellelemente 116. Es lässt sich dadurch insbesondere eine jeweilige Phasendifferenz zwischen allen vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 112 einstellen. Die Phaseneinstelleinrichtung 114 und/oder die Phaseneinstellelemente 116 können beispielsweise in Lichtwellenleiter integriert sein, in welchen die kohärenten Laserstrahlen 112 geführt sind.
Zur Verstärkung der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen 112 umfasst das Lasersystem 100 eine Verstärkungseinrichtung 118, welche vorzugsweise mehrere Verstärkungselemente 120 umfasst. Beispielsweise ist ein Verstärkungselement 120 jeweils einem bestimmten kohärenten Laserstrahl 112 zugeordnet. Durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 112 mittels der Verstärkungseinrichtung 118 werden verstärkte kohärente Laserstrahlen 113 ausgebildet.
Bezogen auf eine Haupt-Propagationsrichtung 122 sind die Verstärkungseinrichtung 118 bzw. die Verstärkungselemente 120 nach der Phaseneinstelleinrichtung 114 bzw. den Phaseneinstellelementen 116 angeordnet, d.h. die jeweiligen kohärenten Laserstrahlen 112 durchlaufen die Phaseneinstellelemente 116 zuerst und anschließend die Verstärkungselemente 120.
Unter der Haupt-Propagationsrichtung 122 ist eine jeweilige Hauptrichtung und/oder mittlere Richtung des Eingangslaserstrahls 108 bzw. der kohärenten Laserstrahlen 112 bzw. der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 bzw. der Ausgangslaserstrahlen 102 zu verstehen, in welche diese durch das Lasersystem 100 propagieren. Insbesondere entspricht die jeweilige Haupt- Propagationsrichtung 122 einer Hauptrichtung und/oder mittleren Richtung von dem entsprechenden Laserstrahl zugeordneten Poynting-Vektoren.
Insbesondere werden aus der Phaseneinstelleinrichtung 114 ausgekoppelte kohärente Laserstrahlen 112 in die Verstärkungseinrichtung 118 eingekoppelt. Insbesondere werden mittels der Phaseneinstelleinrichtung 114 die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen 112 vor deren Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung 118 eingestellt.
Die Verstärkungselemente 118 können insbesondere separat und/oder räumlich getrennt voneinander angeordnet und /oder ausgerichtet werden. Die Verstärkungselemente 120 sind beispielsweise stabförmig ausgebildet und/oder als Faserverstärker ausgebildet. Beispielsweise sind oder umfassen die Verstärkungselemente 120 "rod-type photonic crystal fiber amplifiers", wie sie z.B. aus J. Limpert et al., "High-power rod-type photonic crystal fiber laser," Opt. Express 13, 1055-1058 (2005) bekannt sind.
Es ist auch möglich, dass die Verstärkungseinrichtung 118 und/oder die Verstärkungselemente 120 als Multikernwellenleiter ausgebildet sind und/oder in einen Multikernwellenleiter integriert sind. Die einzelnen kohärenten Laserstrahlen 112 und/oder verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 sind dann insbesondere im Fernfeld voneinander getrennt.
Alle vorhandenen Verstärkungselemente 120 sind vorteilhafterweise gleichartig ausgebildet und/oder als Gleichteile ausgebildet.
Unter den Ausgangslaserstrahlen 102 des Lasersystems 100 sind diejenigen kohärenten Laserstrahlen zu verstehen, welche im Betrieb des Lasersystems 100 mittels der Verstärkungseinrichtung 118 verstärkt sind und derart ausgebildet und/oder eingerichtet sind, dass sie ein zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenes Interferenzmuster 124 ausbilden. Die Ausgangslaserstrahlen 102 sind folglich die zur Ausbildung des Interferenzmusters 124 beitragenden und/oder eingerichteten Laserstrahlen.
Die Ausgangslaserstrahlen 102 laufen auf das Interferenzmuster 124 konvergent und/oder aus unterschiedlichen Richtungen kommend zu. Die Ausgangslaserstrahlen 102 verlaufen insbesondere in einem dem Interferenzmuster 124 zugeordneten Strahlkonvergenzbereich 130 des Lasersystems 100 oder bilden einen dem Interferenzmuster 124 zugeordneten Strahlkonvergenzbereich 130 des Lasersystems 100 aus.
Die Ausgangslaserstrahlen 102 sind folglich die zur Ausbildung des Interferenzmusters 124 beitragenden Laserstrahlen. Je nach Ausführungsform basieren die Ausgangslaserstrahlen 102 auf den mittels der Verstärkungseinrichtung 118 verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 oder entsprechen diesen. Das mittels den bereitgestellten Ausgangslaserstrahlen 102 ausgebildete Interferenzmuster 124 erstreckt sich beispielsweise in einer Ebene oder in einem dreidimensionalen Volumen.
Es ist vorgesehen, dass das Werkstück 104 zur Laserbearbeitung mit dem ausgebildeten Interferenzmuster 124 beaufschlagt wird. Das Lasersystem 100 kann eine Werkstückhalterung 126 aufweisen, an welcher das Werkstück 104 anordenbar und/oder fixierbar ist, um dieses mit dem Interferenzmuster 124 zu beaufschlagen.
Ferner kann das Lasersystem 100 eine Vorschubeinrichtung 128 aufweisen, welche zur Einstellung einer Position und/oder Orientierung des Werkstücks 104 relativ zu dem Interferenzmuster 124 eingerichtet ist und/oder welche zur Durchführung einer Bewegung des Werkstücks 104 relativ zu dem Interferenzmuster 124 eingerichtet ist. Beispielsweise ist die Vorschubeinrichtung 128 eingerichtet, um die Werkstückhalterung 126 und das daran angeordnete Werkstück 104 relativ zu dem Interferenzmuster 124 zu bewegen und insbesondere entlang einer vorgegebenen Trajektorie zu bewegen.
Zur Ausbildung des Interferenzmusters 124 ist es notwendig, dass die zu dessen Ausbildung beitragenden Ausgangslaserstrahlen 102 konvergierend zueinander orientiert sind und einen nichtverschwindenden Winkel zueinander aufweisen. Genauer gesagt weisen die jeweiligen Haupt-Propagationsrichtungen 122 und/oder Poynting-Vektoren 132 der benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 einen nichtverschwindenden Winkel zueinander auf.
Bei einer ersten Variante des Lasersystems 100 sind alle vorhandenen Ausgangslaserstrahlen 102 in einer gemeinsamen Ebene oder Fläche angeordnet (siehe beispielsweise die in Fig. 1 gezeigten drei Ausgangslaserstrahlen 102), wobei zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen 102 einen nichtverschwindenden ersten Winkel o zueinander aufweisen und jeweils unter diesem ersten Winkel o aufeinander zulaufen, d.h. zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen 102 laufen in Richtung des auszubildenden Interferenzmusters 124 unter dem ersten o Winkel aufeinander zu. Der erste Winkel a erstreckt sich insbesondere in eine erste Richtung und/oder bezüglich einer ersten Winkelkoordinate.
Das in diesem Fall resultierende Interferenzmuster 124 erstreckt sich zweidimensional in der genannten gemeinsamen Ebene der Ausgangslaserstrahlen 102 und insbesondere ausschließlich in dieser Ebene (bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel die z-x-Ebene).
Bei dem Beispiel gemäß Fig. 1 ist die erste Variante dadurch realisiert, dass die aus den Verstärkungselementen 120 austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 in der ersten Raumrichtung x zueinander beabstandet positioniert sind und in eine Fokussiereinrichtung 134 des Lasersystems 100 eingekoppelt werden. Die Fokussiereinrichtung 134 weist ein oder mehrere Fokussierelemente 136 auf, welche jeweils eine Fokussieroptik und/oder ein F- Theta-Objektiv umfassen oder als solche ausgebildet sind. Die auf die Fokussiereinrichtung 134 einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 verlaufen beispielsweise parallel zueinander und/oder in einer zur ersten Raumrichtung x parallelen Ebene. Beispielsweise sind die Verstärkungselemente 120 und/oder die aus diesen austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 bezüglich der ersten Raumrichtung x als Array angeordnet.
Die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 treten insbesondere als divergentes Strahlenbündel 138 und/oder als Kugelwellen oder zumindest als Teilbereiche von Kugelwellen aus den jeweiligen Verstärkungselementen 120 aus (z.B. angedeutet in Fig. 6) und fallen in dieser Form auf die Fokussiereinrichtung 134 ein. Die Fokussiereinrichtung 134 ist zur Kollimation der jeweiligen auf diese einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 ausgebildet. Die Ausgangslaserstrahlen 102, welche jeweils aus einem auf die Fokussiereinrichtung 134 einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahl 113 gebildet sind, treten jeweils als kollimiertes Strahlenbündel 140 und/oder als ebene Wellen aus der Fokussiereinrichtung 134 aus (z.B. angedeutet in Fig. 3).
Bei dem in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Beispiel ist allen vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 ein einziges Fokussierelement 136 zugeordnet. Benachbarte verstärkte kohärente Laserstrahlen 113 treffen mit einem Ortsversatz bezüglich der ersten Raumrichtung x auf das Fokussierelement 136, wobei aus dem Ortsversatz nach dem Fokussierelement 136 ein Winkelversatz zwischen den aus den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 ausgebildeten Ausgangslaserstrahlen 102 in Form des genannten ersten Winkels o zwischen benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 resultiert.
Der Ortsversatz der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 bzw. der hieraus resultierende erste Winkel o kann für alle oder für eine Teilmenge der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 bzw. Ausgangslaserstrahlen 102 derselbe sein. Es ist allerdings auch möglich, dass der Ortsversatz bzw. erste Winkel o zwischen verschiedenen benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 bzw. Ausgangslaserstrahlen 102 unterschiedlich gewählt wird.
Bei einer zweiten Variante sind mehrere Ebenen oder Flächen vorhanden, in welchen die vorhandenen Ausgangslaserstrahlen 102 verlaufen, wobei insbesondere jeweils unterschiedliche Teilmengen von Ausgangslaserstrahlen 102 unterschiedlichen Ebenen zugeordnet sind. Die einer bestimmten Teilmenge zugeordneten Ausgangslaserstrahlen 102 verlaufen dann in derselben Ebene oder Fläche.
Bei dem Beispiel gemäß Fig. 1, 2 und 3 kann die zweite Variante dadurch realisiert sein, dass sowohl zueinander in der ersten Raumrichtung x zueinander beabstandete verstärkte kohärente Laserstrahlen 113 vorhanden sind als auch verstärkte kohärente Laserstrahlen 113, welche in einer zur ersten Raumrichtung x quer und insbesondere senkrecht orientierten zweiten Raumrichtung y zueinander beabstandet sind. Beispielsweise sind die Verstärkungselemente 120 und/oder die aus diesen austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 als zweidimensionales Array bezüglich der ersten Raumrichtung x und der zweiten Raumrichtung y angeordnet.
Es sind dann sowohl zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen 102 vorhanden, welche einen nichtverschwindenden ersten Winkel o zueinander aufweisen und jeweils unter diesem ersten Winkel o aufeinander zulaufen (Fig. 1), als auch zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen 102, welche einen nichtverschwindenden zweiten Winkel ß zueinander aufweisen und jeweils unter diesem zweiten Winkel ß aufeinander zulaufen (Fig. 2).
Der zweite Winkel ß erstreckt sich insbesondere in eine zweite Richtung und/oder bezüglich einer zweiten Winkelkoordinate (bezogen auf einen bestimmten Ausgangslaserstrahl 102, von welchem ausgehend der erste Winkel o bzw. zweite Winkel ß zu den benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 gemessen wird). Diese zweite Richtung bzw. zweite Winkelkoordinate ist von der ersten Richtung bzw. ersten Winkelkoordinate des ersten Winkels o verschieden. Insbesondere ist die erste Richtung quer oder senkrecht zur zweiten Richtung orientiert.
Bei einer Beschreibung der Orientierung der Ausgangslaserstrahlen 102 in Kugelkoordinaten entspricht der ersten Winkel o beispielsweise dem Polarwinkel und der zweite Winkel ß dem Azimutwinkel.
Das im Fall der zweiten Variante ausgebildete Interferenzmuster 124 erstreckt sich dreidimensional im Raum (bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel in allen drei Raumrichtungen x, y und z).
Die in dem Strahlkonvergenzbereich 130 konvergierend verlaufenden Ausgangslaserstrahlen 102 werden somit bei den vorstehend beschriebenen Varianten mittels des Ortsversatzes der auf das Fokussierelement 136 einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 und dem daraus resultierenden Winkelversatz in Form des ersten Winkels o und/oder des zweiten Winkels ß realisiert.
Zur Ausbildung des Interferenzmusters 124 muss der Winkelversatz zwischen benachbarten Ausgangslaserstrahlen in einem bestimmten Bereich liegen. Der theoretisch mögliche Bereich, in welchem die Ausbildung des Interferenzmusters 124 erfolgen kann, liegt zwischen 2° und 180°. Bevorzugt weisen der erste Winkel o und/oder der zweite Winkel ß Werte zwischen 15° und 25° auf. Das in Fig. 4 gezeigte Beispiel unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Beispielen dadurch, dass die Fokussiereinrichtung 134 mehrere Fokussierelemente 136 umfasst und dass zur Ausbildung des Winkelversatzes zwischen den Ausgangslaserstrahlen 102 das Lasersystem 100 eine Strahlumlenkeinrichtung 142 aufweist. Ansonsten weist dieses Beispiel denselben Aufbau und/oder dieselbe Funktionsweise wie die vorstehend beschriebenen Beispiele auf.
Bei dem gezeigten Beispiel ist jedem der Verstärkungselemente 120 und/oder jedem der aus den Verstärkungselementen 120 austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 ein Fokussierelement 136 und insbesondere ein einziges Fokussierelement 136 zugeordnet.
Die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 treten aus den jeweils zugeordneten Verstärkungselementen 120 als divergente Strahlenbündel 138 aus und werden mittels den Fokussierelementen 136 in kollimierte Strahlenbündel 140 umgewandelt. Die aus den jeweiligen Fokussierelementen 136 austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 sind beispielsweise parallel zueinander orientiert.
Somit bewirken die Fokussiereinrichtung 134 und/oder die Fokussierelemente 136 bei diesem Beispiel eine Kollimation der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 und insbesondere keine Fokussierung derselben.
Zur Ausbildung der in dem Strahlkonvergenzbereich 130 konvergierenden und das Interferenzmuster 124 ausbildenden Ausgangslaserstrahlen 102 werden die aus den Fokussierelementen 136 austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 in die Strahlumlenkeinrichtung 142 eingekoppelt. Diese ist dazu eingerichtet, aus den eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 die Ausgangslaserstrahlen 102 mit dem vorstehend beschriebenen Winkelversatz auszubilden. Die benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 sind dann konvergent zueinander ausgerichtet und weisen zueinander jeweils den nichtverschwindenden ersten Winkel o und/oder zweiten Winkel ß auf. Die Stahlumlenkeinrichtung 142 kann beispielsweise mehrere Spiegelelemente 144 aufweisen, welche derart eingerichtet und angeordnet sind, dass aus den eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113, welche beispielsweise parallel zueinander orientiert sind, die konvergierenden Ausgangslaserstrahlen 102 ausgebildet werden.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel weist die Fokussiereinrichtung 134, analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, eine Mehrzahl von Fokussierelementen 136 auf, wobei ein bestimmtes Fokussierelement 136 eine Kollimation des diesem zugeordneten verstärkten kohärenten Laserstrahls 113 bewirkt. Beispielsweise ist jedem Verstärkungselement 120 ein Fokussierelemente 136 zugeordnet.
Die Fokussierelemente 136 und/oder die auf die Fokussierelemente 136 treffenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 sind derart eingerichtet und angeordnet, dass die aus den Fokussierelementen 136 austretenden Laserstrahlen bereits konvergent zueinander verlaufen sowie den beschriebenen Winkelversatz zueinander aufweisen, um das Interferenzmuster 124 auszubilden. Diese austretenden Laserstrahlen entsprechen somit den Ausgangslaserstrahlen 102 bzw. weisen die beschriebenen Eigenschaften der Ausgangslaserstrahlen 102 auf.
Beispielsweise sind die Verstärkungselemente 120 derart angeordnet und/oder eingerichtet, dass die aus diesen ausgekoppelten und auf die Fokussierelemente 136 treffenden kohärenten Laserstrahlen 120 bereits den genannten Winkelversatz in Form des ersten Winkels o und/oder des zweiten Winkels ß aufweisen. Entsprechend weisen dann bei diesem Beispiel die aus den Fokussierelementen 136 ausgekoppelten Ausgangslaserstrahlen 102 den Winkelversatz zueinander auf, um das Interferenzmuster 124 auszubilden.
Die Verstärkungselemente 120 sind beispielsweise stabförmig und/oder als "rod- type photonic crystal fiber amplifiers" ausgebildet, wobei die jeweilige Haupt- Propagationsrichtung 122 des aus einem bestimmten Verstärkungselement 120 austretenden verstärkten kohärenten Laserstrahls 113 parallel oder zumindest näherungsweise parallel zu einer Längsmittelachse 146 des Verstärkungselements 120 ausgebildet ist. Beispielsweise sind dann die Längsmittelachsen 146 von benachbarten Verstärkungselementen 120 mit dem Winkelversatz in Form des ersten Winkels o und/oder des zweiten Winkels ß zueinander ausgerichtet. Jeweilige Mittelpunkte der Verstärkungselemente 120 sind beispielsweise kreisförmig und/oder kugelförmig positioniert.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 5 liegen die Ausgangslaserstrahlen 102 jeweils als kollimierte Strahlenbündel 140 und/oder in Form von ebenen Wellen vor. In diesem Fall ist den Ausgangslaserstrahlen 102 jeweils genau ein Poynting-Vektor 132 zugeordnet, welcher der Haupt-Propagationsrichtung 122 entspricht. Der Poynting-Vektor 132 ist in diesem Fall eine global einheitliche Eigenschaft des jeweiligen kollimierten Ausgangslaserstrahls 102.
Bei den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen des Lasersystems 100 werden die zur Ausbildung des Interferenzmusters 124 vorgesehenen Ausgangslaserstrahlen 102 in Form von divergenten Strahlenbündeln 138 und/oder Kugelwellen bereitgestellt. In diesem Fall ist der Poynting-Vektor 132 stets senkrecht zur Orientierung der Wellenfront der Kugelwellen eines bestimmten Ausgangslaserstrahls 102 ausgerichtet und somit lokal unterschiedlich orientiert (angedeutet in Fig. 6). Die einem bestimmten Ausgangslaserstrahl 102 zugeordneten nichtverschwindenden Poynting-Vektoren 132 decken somit einen bestimmten Winkelbereich ab. Unter der Haupt- Propagationsrichtung 122 des Ausgangslaserstrahls 102 ist dann eine gemittelte Richtung über alle nichtverschwindenden Poynting-Vektoren 132 zu verstehen.
Die Verstärkungselemente 120 sind derart angeordnet und/oder eingerichtet, dass zumindest Strahlanteile von aus diesen ausgekoppelten benachbarten Laserstrahlen Poynting-Vektoren 132 mit einem Winkelversatz in Form des ersten Winkels o und/oder des zweiten Winkels ß aufweisen.
Beispielsweise sind die Verstärkungselemente 120 derart angeordnet und/oder eingerichtet, dass die aus diesen ausgekoppelten und auf die Fokussierelemente 136 treffenden Ausgangslaserstrahlen 102 bereits den genannten Winkelversatz in Form des ersten Winkels o und/oder des zweiten Winkels ß aufweisen. Entsprechend weisen dann bei diesem Beispiel die aus den Fokussierelementen 136 ausgekoppelten Strahlenteile der Ausgangslaserstrahlen 102 den geeigneten Winkelversatz zueinander auf, um das Interferenzmuster 124 auszubilden. Diese aus den Verstärkungselementen 120 austretenden Laserstrahlen entsprechen somit in diesem Fall den Ausgangslaserstrahlen 102 bzw. weisen zumindest anteilsweise die notwendigen Eigenschaften zur Ausbildung des Interferenzmusters 124 auf.
Insbesondere sind bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 6 und 7 keine Fokussiereinrichtung 134 und/oder keine Fokussierelemente 136 zur Kollimation der aus den Verstärkungselementen 120 austretenden Laserstrahlen vorgesehen.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind die Längsmittelachsen 146 der Verstärkungselemente 120 und/oder die Haupt-Propagationsrichtungen 122 von benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 parallel oder zumindest näherungsweise parallel orientiert. Zur Vergrößerung der jeweiligen Strahlanteile von benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102, welche einen geeigneten Winkelversatz in Form des ersten Winkels o und/oder des zweiten Winkels ß aufweisen, um das Interferenzmuster 124 auszubilden, kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Haupt-Propagationsrichtungen 122 der benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 konvergierend zueinander einen angewinkelt werden (Fig. 7). Die Haupt-Propagationsrichtungen 122 der benachbarten Ausgangslaserstrahlen 102 weisen dann einen nichtverschwindenden ersten Winkel o und/oder zweiten Winkel ß zueinander auf, welcher beispielsweise zwischen 1° und 180° betragen kann.
Ein erstes Beispiel eines mittels des Lasersystems 100 ausgebildeten Interferenzmusters 124 ist in den Fig. 8a, 8b und 8c als Graustufendarstellung bei unterschiedlichen Maßstäben gezeigt, wobei hellere Grauwerte für höhere Intensitäten stehen. Das Interferenzmuster 124 weist ein Interferenzelement 150 auf, welches sich in zumindest einer Raumrichtung x, y, z mehrfach wiederholt, wobei die sich wiederholenden Interferenzelemente 150 in dieser zumindest einen Raumrichtung zueinander beabstandet sind und insbesondere mit jeweils gleichem Abstand zueinander benachbart angeordnet sind. Bei dem in den Fig. 8a bis 8c gezeigten Beispiel ist das Interferenzelement 150 als einzelner Punkt und/oder Fokuspunkt ausgebildet.
Beispielsweise wiederholt sich das Interferenzelement 150 flächig in der ersten Raumrichtung x und in der zweiten Raumrichtung y oder als dreidimensionales Volumen in allen drei Raumrichtungen. Das Interferenzelement 150 bildet insbesondere das Interferenzmuster 124 aus.
Bei dem in den Fig. 9a bis 9c gezeigten Beispiel ist das Interferenzelement 150 als streifenförmig und/oder als einzelner fokussierter Streifen ausgebildet.
Bei dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel besteht das Interferenzelement 150 aus einem Punktmuster und/oder aus einer Mehrzahl von fokussierten Punkten.
Das Lasersystem 100 funktioniert wie folgt:
Im Betrieb des Lasersystems 100 wird das Interferenzmuster 124 mittels den Ausgangslaserstrahlen 102 ausgebildet und das an der Werkstückhalterung 126 angeordnete Werkstück 124 mit dem Interferenzmuster 124 beaufschlagt, um die Laserbearbeitung durchzuführen.
Eine typische Anwendung kann beispielsweise darin bestehen, eine großflächige Bearbeitung des Werkstücks 104 an einer Außenseite 152 des Werkstücks 104 und/oder im Bereich einer Außenseite 152 des Werkstücks 104 durchzuführen. Beispielsweise lassen sich an der Außenseite 152 mittels des Interferenzmusters 124 periodische Strukturen mit vorgegebenen Eigenschaften erzeugen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Werkstück 124 zur Durchführung der Laserbearbeitung mittels der Vorschubeinrichtung 128 relativ zu dem Interferenzmuster 124 positioniert und/oder ausgerichtet wird, und/oder relativ zu dem Interferenzmuster 124 bewegt wird.
Durch Änderung der zwischen den kohärenten Laserstrahlen 112 vorliegenden
Phasendifferenzen mittels den Phaseneinstellelementen 116 lassen sich entsprechend die Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 113 und/oder zwischen den Ausgangslaserstrahlen 102 ändern. Es lassen sich dadurch Eigenschaften des Interferenzmusters 124 und/oder der Interferenzelemente 150 des Interferenzmusters 124 anpassen.
Im Betrieb des Lasersystems 100 kann durch Variation der Phasendifferenzen mittels den Phaseneinstellelementen 116 beispielsweise ein Abstand 154 zwischen zueinander benachbarten Interferenzelementen 150 angepasst werden. Ferner kann beispielsweise eine Periodizität der Interferenzelemente 150 angepasst werden, wie z.B. eine Regelmäßigkeit der Positionierung der Interferenzelemente 150. Außerdem lassen sich beispielsweise ein Intensitätsprofil und/oder eine geometrische Form der Interferenzelemente 150 anpassen. Beispielsweise können die Interferenzelemente 150 und/oder ausgewählte Interferenzelemente 150 durch Steuerung der Phasendifferenzen und insbesondere ausschließlich durch Steuerung der Phasendifferenzen mittels den Phaseneinstellelementen 116 über das Werkstück 104 gescannt werden.
Bezugszeichenliste a erster Winkel ß zweiter Winkel x erste Raumrichtung y zweite Raumrichtung
100 Lasersystem
102 Ausgangslaserstrahl
104 Werkstück
106 Laserstrahlquelle
108 Eingangslaserstrahl
110 Aufteilungseinrichtung
112 kohärenter Laserstrahl
113 verstärkter kohärenter Laserstrahl
114 Phaseneinstelleinrichtung
116 Phaseneinstellelement
118 Verstärkungseinrichtung
120 Verstärkungselement
122 Haupt- Propagationsrichtung
124 Interferenzmuster
126 Werkstückhalterung
128 Vorschubeinrichtung
130 Strahlkonvergenzbereich
132 Poynting-Vektor
134 Fokussiereinrichtung
136 Fokussierelement
138 divergentes Strahlenbündel
140 kollimiertes Strahlenbündel
142 Strahlumlenkeinrichtung
144 Spiegelelement
146 Längsmittelachse
148 Mittelpunkt
150 Interferenzelement
152 Außenseite
154 Abstand

Claims

Patentansprüche Lasersystem zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104) mittels eines Interferenzmusters (124), umfassend mindestens eine Laserstrahlquelle (106) zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (112), eine Verstärkungseinrichtung (118) zur Ausbildung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (112), eine Phaseneinstelleinrichtung (114) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (112) und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) und einen Strahlkonvergenzbereich (130), in welchem auf den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) basierende oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) entsprechende Ausgangslaserstrahlen (102) zur Ausbildung des Interferenzmusters (104) konvergieren, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich (130) zumindest Strahlanteile von unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen (102) konvergieren. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Strahlkonvergenzbereich (130) vorliegenden zueinander benachbarten Ausgangslaserstrahlen (102) zumindest Strahlanteile aufweisen, welche einen Winkel (o, ß) von mindestens 0,2° und/oder höchstens 40° und bevorzugt von mindestens 1° und/oder höchstens 5° einschließen. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlkonvergenzbereich (130) zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen (102) Strahlanteile aufweisen, die einen einer ersten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden ersten Winkel (o) einschließen, wobei der erste Winkel (o) mindestens 0,2° und/oder höchstens 40° beträgt und bevorzugt mindestens 1° und/oder höchstens 5° beträgt. Lasersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlkonvergenzbereich (130) zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen (102) Strahlanteile aufweisen, die einen einer von der ersten Winkelkoordinate verschiedenen zweiten Winkelkoordinate zugeordneten nichtverschwindenden zweiten Winkel (ß) einschließen, wobei der zweite Winkel (ß) mindestens 0,2° und/oder höchstens 40° beträgt und bevorzugt mindestens 1° und/oder höchstens 5° beträgt. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlkonvergenzbereich (130) vorhandene benachbarte Ausgangslaserstrahlen (102) derart zueinander ausgerichtet sind, dass jeweils zwei zueinander benachbarte Ausgangslaserstrahlen (102) entweder Strahlanteile aufweisen, welche einen nichtverschwindenden ersten Winkel (o) einschließen, oder Strahlanteile aufweisen, welche einen nichtverschwindenden zweiten Winkel (ß) einschließen. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslaserstrahlen (102) in dem Strahlkonvergenzbereich (130) als kollimierte Strahlenbündel (140) vorliegen, oder dass die Ausgangslaserstrahlen (102) in dem Strahlkonvergenzbereich (130) als divergente Strahlenbündel (138) vorliegen. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fokussiereinrichtung (134) zur Kollimation und/oder Umlenkung von auf die Fokussiereinrichtung (134) einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113). Lasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (134) ein Fokussierelement (136) und insbesondere ein einziges Fokussierelement (136) aufweist, wobei auf das Fokussierelement (136) mehrere und insbesondere alle vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) einfallen und wobei die verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) mittels des Fokussierelements (136) kollimiert und umgelenkt werden, um die Ausgangslaserstrahlen (102) bereitzustellen. Lasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (134) mehrere Fokussierelemente (136) aufweist, wobei einem verstärkten kohärenten Laserstrahl (113) jeweils ein Fokussierelement (136) zugeordnet ist und wobei die verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) jeweils mittels des zugeordneten Fokussierelements (136) kollimiert werden. Lasersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorhandenen Fokussierelemente (136) und/oder die auf die vorhandenen Fokussierelemente (136) einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) derart eingerichtet und angeordnet sind, dass aus den Fokussierelementen (136) austretende Laserstrahlen den Strahlkonvergenzbereich (130) ausbilden und den Ausgangslaserstrahlen (102) entsprechen. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlumlenkeinrichtung (142) zur Umlenkung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113), um die im Strahlkonvergenzbereich (130) konvergierenden Ausgangslaserstrahlen (102) auszubilden. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Verstärkungseinrichtung (118) ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) als divergente Strahlenbündel (138) vorliegen, wobei eine Haupt-Propagationsrichtung (122) von benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) parallel oder quer orientiert ist und wobei die verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) den Ausgangslaserstrahlen (102) entsprechen. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzmuster (124) mindestens ein Interferenzelement (150) zur Laserbearbeitung des Werkstücks (104) aufweist, welches sich innerhalb des Interferenzmusters (124) wiederholt und insbesondere mit regelmäßigen Abständen (154) wiederholt. Lasersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzelement (150) innerhalb des Interferenzmusters (124) mindestens 10-mal und insbesondere mindestens 100-mal und insbesondere mindestens 1000-mal wiederholt wird. Lasersystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung der Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (112) oder verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) mittels der Phaseneinstelleinrichtung (114) mindestens eine Eigenschaft des Interferenzmusters (124) und/oder des Interferenzelements (150) variierbar ist oder variiert wird, wobei die mindestens eine Eigenschaft insbesondere einen Abstand (154) der Interferenzelemente (150) und/oder eine Periodizität der Interferenzelemente (150) und/oder eine Spitzenintensität der Interferenzelemente (150) und/oder ein Intensitätsprofil der Interferenzelemente (150) und/oder eine geometrische Form der Interferenzelemente (150) umfasst. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinrichtung (118) mehrere Verstärkungselemente (120) zur Verstärkung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls (112) aufweist, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (120) stabförmig und/oder als Faserverstärker ausgebildet sind. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels eines Interferenzmusters (124), bei dem mittels mindestens einer Laserstrahlquelle (106) eine Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (112) bereitgestellt wird, durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (112) mittels einer Verstärkungseinrichtung (118) verstärkte kohärente Laserstrahlen (113) ausgebildet werden und eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (112) und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) mittels einer Phaseneinstelleinrichtung (114) eingestellt wird, wobei auf den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) basierende oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (113) entsprechende Ausgangslaserstrahlen (102) ausgebildet werden, welche zur Ausbildung des Interferenzmusters (124) in einem Strahlkonvergenzbereich (130) konvergieren, wobei in dem Strahlkonvergenzbereich (130) zumindest Strahlanteile von unterschiedlichen Ausgangslaserstrahlen (102) konvergieren.
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