WO2024104646A1 - Verfahren und vorrichtung zur laserbearbeitung eines werkstücks - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for laser processing of a workpiece which has a transparent material, in which an input laser beam is split into a plurality of partial beams by means of a beam splitting element, partial beams coupled out of the beam splitting element are focused, wherein a plurality of focus elements are formed by focusing the partial beams, the material of the workpiece is exposed to the focus elements for laser processing and the focus elements are moved relative to the material in a feed direction.
- the invention further relates to a device for laser processing of a workpiece which has a transparent material, comprising a beam splitting element for splitting an input laser beam into a plurality of partial beams, a focusing optics for focusing partial beams coupled out of the beam splitting element, wherein the focusing of the partial beams forms a plurality of focus elements for laser processing of the workpiece, and a feed device for carrying out a relative movement of the focus elements relative to the material of the workpiece in a feed direction.
- WO 2022/167254 A1 and WO 2022/167257 A1 each disclose methods and devices for laser processing of a transparent workpiece, wherein the workpiece is subjected to a plurality of focus elements for laser processing.
- a diffractive optical beam-forming element for impressing a phase profile on a laser beam intended for laser processing of a material that is largely transparent to the laser beam is known, with a phase mask that is designed to impress a plurality of beam-forming phase profiles on the laser beam falling on the phase mask, wherein at least one of the plurality of beam-forming phase profiles is assigned a virtual optical image that can be imaged into at least one elongated focus zone for forming a modification in the material to be processed.
- JP 2020 004 889 A a method for separating and in particular beveling a transparent material is known, wherein a plurality of focus points for laser processing of the material are generated by means of a spatial light modulator.
- US 2020/0147729 Al and US 2020/0361037 Al each disclose methods for forming a bevelled edge region on a transparent material by means of a laser beam.
- WO 2016/089799 Al discloses a method for separating a transparent material by means of several parallel non-diffracting laser beams.
- the invention is based on the object of providing a method and a device as mentioned above, by means of which material modifications can be formed in the material of the workpiece, which enable a separation of the material with an improved quality and in particular a reduced roughness at the separation surface.
- a subset of the formed focus elements is arranged in a first plane and a subset of the formed focus elements is arranged in at least one further plane, wherein the first plane and the at least one further plane are spaced parallel to the feed direction and wherein the first plane and the at least one further plane are oriented perpendicular to the feed direction.
- material modifications are formed in the material of the workpiece, which in particular enable a separation of the material.
- an effective distance between the focus elements oriented perpendicular to the feed direction can be reduced.
- the quality of a separation surface resulting from the separation of the material can be increased, whereby the separation surface can in particular be designed with reduced roughness and/or increased smoothness. This results in increased edge stability of the material of the workpiece at the separation surface after separation has taken place.
- the focus elements are arranged "offset" in the feed direction to form the material modifications, which results in a significantly reduced effective distance if the actual distance between the focus elements is sufficiently large.
- the distance or real distance between focus elements is the actual distance between these focus elements in three-dimensional space.
- the effective distance between the focus elements is the distance between vertical projections of the focus elements in a projection plane oriented perpendicular to the feed direction.
- a spatial position and/or arrangement of a specific focus element is to be understood in particular as that of its centre and/or centre of gravity within the material.
- the Distance and the effective distance are related to the corresponding centers of the focus elements in the material, ie they are center distances.
- material modifications are formed at least in sections of the material, which are spaced apart by the effective distance.
- the material modifications can be formed in particular in such a way that adjacent material modifications overlap in the material. This results in particular in a crack connection between the adjacent material modifications, which enables the material to be separated particularly well by etching or thermal treatment.
- all focus elements assigned to the first level and/or the at least one further level are present simultaneously.
- two or more planes oriented perpendicular to the feed direction can be provided, in each of which a subset of the formed focus elements is arranged.
- the planes provided are each oriented parallel to one another and/or spaced apart from one another in the feed direction.
- a distance between the first level and the at least one further level is at least 2 pm and/or at most 200 pm.
- the distance is approximately 10 pm.
- the formed focus elements are positioned in such a way that when the focus elements are viewed in a projection plane oriented perpendicular to the feed direction, at least a subset of the focus elements assigned to the first plane and the focus elements assigned to at least one further plane are arranged in different spatial positions in the projection plane. This makes it possible to reduce an effective distance between adjacent focus elements, so that a distance between formed adjacent material modifications is reduced accordingly.
- the formed focus elements are positioned in such a way that when the focus elements are viewed in a projection plane oriented perpendicular to the feed direction, at least a subset of the focus elements assigned to the first plane and the focus elements assigned to at least one further plane are positioned in the projection plane along a processing line, wherein material modifications are formed in the material by relative movement of the focus elements with respect to the material in the feed direction, which material modifications are arranged along the processing line.
- the processing line in particular an edge geometry and/or a cross-sectional geometry of a separation surface created by separating the material at the material modifications can be defined.
- the at least one processing line has a total length of between 10 pm and 10,000 pm and in particular between 100 pm and 1,000 pm and in particular between 400 pm and 600 pm. This allows workpieces with a thickness in the above-mentioned range to be processed and in particular separated.
- the material of the workpiece has, for example, a thickness between 10 pm and 10,000 pm and preferably between 100 pm and 1,000 pm, for example approximately 500 pm.
- the machining line extends over a thickness of the material of the workpiece and/or over a thickness of a The workpiece segment to be separated is spatially continuous.
- the processing line is not necessarily spatially connected, but can have various spatially separated sections.
- the processing line can have interruptions in which no focus elements are arranged.
- the relative movement of the focus elements in the material creates material modifications along a processing surface corresponding to the processing line.
- the material modifications are then arranged along the processing line, particularly when viewed in a cross section through the processing surface oriented perpendicular to the feed direction.
- a shape and/or cross-sectional shape of the separation surface formed during the separation then corresponds in particular to a shape and/or cross-sectional shape of the (previous) processing surface.
- adjacent focus elements arranged along the processing line have an effective distance of at least 2 pm and/or at most 200 pm in the projection plane. This allows the separation surface to be designed with particularly high quality and/or reduced roughness.
- the focus elements arranged along the processing line and/or viewed in the projection plane are understood to mean the focus elements which are assigned to the first plane and at least one further plane.
- the effective distance of the focus elements along the processing line corresponds at least approximately to a distance of material modifications which are formed on the processing surface corresponding to the processing line and in a Feed direction perpendicularly oriented cross-section through the machining surface.
- an effective distance between adjacent focus elements arranged along the processing line in the projection plane and/or an intensity of the focus elements is selected such that by applying the focus elements to the material and relative movement of the focus elements with respect to the material in the feed direction, material modifications are formed in the material which enable a separation of the material.
- At least a subset of adjacent focus elements arranged along the processing line are spaced apart from one another in the projection plane at least approximately by the same effective distance.
- At least a subset of mutually adjacent focus elements arranged along the processing line are spaced apart by an effective distance, wherein the effective distance has an effective distance component that is different from zero and is oriented parallel to a thickness direction of the workpiece, and/or has a further effective distance component that is different from zero and is oriented perpendicular to the thickness direction of the workpiece.
- the effective distance has an effective distance component that is different from zero and is oriented parallel to a thickness direction of the workpiece, and/or has a further effective distance component that is different from zero and is oriented perpendicular to the thickness direction of the workpiece.
- the thickness direction of the workpiece is to be understood in particular as a direction which is oriented transversely and in particular perpendicular to an outer side of the workpiece, through which the focus elements and/or a laser beam are coupled into the material to form the focus elements.
- the thickness direction is oriented in particular transversely or perpendicularly to a beam propagation direction of a laser beam from which the focus elements are formed.
- at least a subset of mutually adjacent focus elements which are arranged along the processing line are spaced apart by an effective distance, wherein the effective distance has an effective distance component which is different from zero and is oriented parallel to a beam propagation direction of a laser beam from which the focus elements are formed, and/or that at least a subset of mutually adjacent focus elements which are arranged along the processing line are spaced apart by an effective distance, wherein the effective distance has an effective distance component which is different from zero and is oriented perpendicular to a beam propagation direction of a laser beam from which the focus elements are formed.
- an angle of attack between the processing line and an outside of the workpiece, through which the focus elements for laser processing are coupled into the material of the workpiece is at least 1° and/or at most 90° and in particular at most 89°, at least in sections.
- this makes it possible, for example, to make a vertical cut on the workpiece or to chamfer the workpiece at a certain angle.
- processing line has a certain angle of attack or angle of attack range at least in sections is to be understood in particular to mean that the processing line has at least one section with this angle of attack or angle of attack range.
- the angle of attack can be at least 10° and/or at most 80°, preferably at least 30° and/or at most 60°, particularly preferably at least 40° and/or at most 50°.
- the angle of attack of the processing line is constant at least in sections and/or that the processing line has several sections with different angles of attack.
- the processing line is at least partially a straight line and/or that the processing line is at least partially a curve.
- rounded segments By executing the machining line as a curve, rounded segments can be separated from the workpiece. This makes it possible to create rounded edges, for example.
- the machining line is designed as a curve, for example, the machining line is assigned a specific angle of attack range which the machining line has with respect to the outside of the workpiece.
- the focus elements formed are positioned in such a way that when the focus elements are viewed in a projection plane oriented perpendicular to the feed direction, gaps are formed between adjacent focus elements which are assigned to the first plane, wherein focus elements assigned to the at least one further plane are present, which are arranged in the gaps. This makes it possible to reduce an effective distance between adjacent focus elements and/or increase a density of material modifications formed in the material.
- a distance between adjacent focus elements which are assigned to the first plane is at least 3 pm and/or at most 70 pm and in particular at least 5 pm and/or at most 10 pm.
- a distance between adjacent focus elements which are assigned to the at least one further plane is at least 3 pm and/or at most 70 pm and in particular at least 5 pm and/or at most 10 pm.
- the division of the input laser beam is carried out exclusively by phase imposition on the beam cross-section of the input laser beam.
- the phase imprinting takes place in the transverse direction of the input laser beam.
- the transverse direction lies in a plane oriented perpendicular to the beam propagation direction of the input laser beam.
- the input laser beam is split by means of the beam splitting element by polarization beam splitting or includes polarization beam splitting.
- adjacent focus elements can each be formed with different polarization states. This makes it possible in particular to prevent interference between adjacent focus elements, which means that they can be arranged at a particularly small distance from one another.
- the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed is a pulsed laser beam and in particular an ultrashort pulse laser beam.
- the focus elements By applying the focus elements to the material, in particular laser pulses and in particular ultrashort laser pulses are introduced into the material.
- the material modifications introduced into transparent materials by ultrashort laser pulses are divided into three different classes, see K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Type I is an isotropic refractive index change, Type II is a birefringent refractive index change and Type III is a so-called void.
- the type of material modification created by means of a specific focus element depends on laser parameters of the laser beam from which the corresponding focus element is formed, such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser beam. Furthermore, the type of modification depends on the properties of the material, such as the electronic structure and the thermal
- Expansion coefficient of the material, as well as the numerical aperture (NA) used to focus the laser beam into the corresponding focus element Expansion coefficient of the material, as well as the numerical aperture (NA) used to focus the laser beam into the corresponding focus element.
- the isotropic refractive index changes of type I are attributed to a localized melting by the laser pulses and a rapid resolidification of the transparent material.
- the density and refractive index of the material are higher when the quartz glass is cooled down quickly from a higher temperature. So if the material melts in the volume covered by the focus element and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.
- the birefringent refractive index changes of type II can arise, for example, from interference between an ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which, when solidified, leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material.
- a type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.
- the voids of the type III modifications can be created in particular with high laser pulse energy. The formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion.
- the micro-explosion leaves behind a less dense or hollow core (the void), or a microscopic defect in the submicrometer range or in the atomic range, which is surrounded by a compacted material shell.
- the compaction at the impact front of the micro-explosion creates stresses in the transparent material, which regularly lead to spontaneous crack formation or promote crack formation.
- voids can also be accompanied by type I and type II modifications.
- type I and type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses.
- the formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. The discovery of "pure" type III modifications is therefore unlikely.
- material modifications are formed in the material by applying the focus elements to the material of the workpiece, wherein the material modifications are accompanied by cracking of the material and/or wherein the material modifications are type III material modifications.
- a separation of the material can be achieved by means of these material modifications.
- material modifications are formed in the material of the workpiece by applying the focus elements to the material. wherein the material modifications are accompanied by a change in a refractive index of the material, and/or wherein the material modifications are type I material modifications and/or type II material modifications. In particular, a separation of the material can be achieved by means of these material modifications.
- the material of the workpiece is separable or is separated after laser processing has taken place, wherein it can be provided in particular that the material is separable or is separated on a processing surface on which material modifications were formed by means of laser processing.
- the material of the workpiece is separable or separated by applying thermal stress and/or mechanical tension and/or by etching using at least one wet chemical solution.
- the etching takes place in an ultrasound-assisted etching bath.
- the thermal stress can be applied using a CO2 laser, for example.
- the beam splitting element and the focusing optics are designed to arrange the focus elements in such a way that a subset of the formed focus elements is arranged in a first plane and a subset of the formed focus elements is arranged in at least one further plane, wherein the first plane and the at least one further plane are spaced parallel to the feed direction and wherein the first plane and the at least one further plane are oriented perpendicular to the feed direction.
- the device according to the invention has one or more further features and/or advantages of the method according to the invention.
- Advantageous embodiments of the device according to the invention have already been explained in connection with the method according to the invention.
- the method according to the invention can be carried out by means of the device according to the invention or the method according to the invention is carried out by means of the device according to the invention.
- the beam splitting element is designed as a 3D beam splitting element or comprises a 3D beam splitting element. It can then be provided that the division of the input laser beam takes place by phase imprinting on a beam cross-section of the input laser beam and in particular exclusively by phase imprinting on the beam cross-section of the input laser beam.
- the beam splitting element is designed as a polarization beam splitting element or comprises a polarization beam splitting element.
- the beam splitting element comprises several components and/or functionalities. It can be provided that the beam splitting element comprises both a 3D beam splitting element and a polarization beam splitting element.
- the device comprises a laser beam source for providing the input laser beam, wherein the input laser beam is in particular a pulsed laser beam and/or an ultrashort pulse laser beam.
- a transparent material is understood to mean in particular a material through which at least 70% and in particular at least 80% and in particular at least 90% of a laser energy of the input laser beam and/or a laser energy of a laser beam from which the focus elements are formed is transmitted.
- a focus element is understood to be a radiation area with a certain spatial extent and intensity distribution.
- the intensity threshold is chosen, for example, such that values below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for an interaction with the material to form material modifications.
- the intensity threshold is 50% of a global intensity maximum of the focus element.
- a specific focus element is assigned a spatial interaction area in which the focus element interacts with the material of the workpiece when it is introduced into it.
- the focus elements introduced into the material interact with the material through non-linear absorption.
- material modifications are formed in the material by means of the focus elements due to non-linear absorption.
- the respective focus elements according to the above definition have a maximum spatial extent of at least 0.5 pm and/or at most 30 pm, preferably at least 2 pm and/or at most 10 pm.
- a maximum spatial extent of an interaction region associated with a specific focus element with the material of the workpiece is at least 0.5 pm and/or at most 30 pm, and preferably at least 2 pm and/or at most 10 pm.
- the maximum spatial extent of a specific focus element is to be understood in particular as the largest spatial extent of the focus element in any spatial direction.
- a respective maximum spatial extent of the focus elements is less than 20% and preferably less than 10% and particularly preferably less than 5% of a thickness of the material.
- the focus elements have a diffractive beam profile.
- the focus elements are designed to be diffraction-limited.
- a particular focus element has a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
- the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed has a diffractive beam profile and/or a Gaussian beam profile.
- a wavelength of the input laser beam and/or the laser beam from which the focus elements are formed is at least 300 nm and/or at most 1500 nm.
- the wavelength is 515 nm or 1030 nm.
- the input laser beam and/or the laser beam from which the focus elements are formed has an average power of at least 1W to 1kW.
- the laser beam comprises pulses with a pulse energy of at least 10 pJ and/or at most 50 mJ. It can be provided that the laser beam comprises individual pulses or bursts, wherein the bursts have 2 to 20 subpulses and in particular a time interval of approximately 20 ns.
- At least a subset of the focus elements can mean either a subset of the focus elements or a total set of the focus elements, i.e. all focus elements.
- the terms “at least approximately” or “approximately” are generally understood to mean a deviation of no more than 10%. Unless otherwise stated, the terms “at least approximately” or “approximately” are particularly understood to mean that an actual value and/or distance and/or angle deviates by no more than 10% from an ideal value and/or distance and/or angle.
- Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a device for laser processing of a workpiece
- Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a portion of a material of the workpiece in which the material is subjected to a plurality of focus elements for laser processing;
- Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a section of the workpiece in which material modifications were produced by applying focus elements to the workpiece, which are accompanied by cracking of the material;
- Fig. 4 shows an arrangement of focus elements designed for laser processing of the workpiece, wherein a projection of the focus elements is shown in a projection plane oriented perpendicular to the feed direction;
- Fig. 5a shows an arrangement of focus elements designed for laser processing of the workpiece in a cross-section oriented parallel to the feed direction and the thickness direction of the workpiece;
- Fig. 5b shows the focus elements according to Fig. 5a in a cross-section oriented parallel to the feed direction and perpendicular to the thickness direction of the workpiece;
- Fig. 6 shows the focus elements according to Fig. 5a and 5b in a perspective view
- Fig. 7a is a cross-sectional view of a simulated intensity distribution of focus elements for laser processing of the workpiece, wherein adjacent focus elements are each spaced apart by a distance of approximately 17.5 pm;
- Fig. 7b is a cross-sectional view of a simulated intensity distribution of focus elements for laser processing of the workpiece, wherein adjacent focus elements are each spaced apart by a distance of approximately 8.0
- Fig. 8a is a schematic perspective view of a workpiece with material modifications formed thereon, which extend along a processing line and/or processing surface;
- Fig. 8b is a schematic perspective view of two workpiece segments formed by separating the workpiece according to Fig. 8a along the machining line and/or machining surface.
- FIG. 1 An embodiment of a device for laser processing of a workpiece is shown in Fig. 1 and designated therein by 100.
- localized material modifications such as defects in the submicrometer range or atomic range, can be created in a material 102 of the workpiece 104, which result in a weakening of the material.
- the workpiece 104 can be separated at these material modifications, whereby, for example, a workpiece segment can be separated from the workpiece 104.
- material modifications can be introduced into the material 102 at an angle of attack by means of the device 100, so that an edge region of the workpiece 104 can be chamfered or beveled by separating a workpiece segment from the workpiece 104.
- the device comprises a beam splitting element 106 into which a particularly collimated input laser beam 108 is coupled.
- This input laser beam 108 is provided by means of a laser beam source 110.
- the input laser beam 108 is a pulsed laser beam and/or an ultrashort pulse laser beam.
- the laser beam source 110 comprises a hollow core fiber (not shown) from which a laser beam formed by means of the laser beam source emerges. This laser beam is then collimated, for example, by means of a collimation optics (not shown) of the laser beam source 110 in order to form the collimated input laser beam 108.
- the input laser beam 108 is to be understood in particular as a beam bundle which comprises a plurality of beams, in particular parallel beams.
- the input laser beam 108 in particular has a transverse beam cross-section 112 and/or a transverse beam extension with which the input laser beam 108 strikes the beam splitting element 106.
- the input laser beam 108 striking the beam splitting element 106 in particular has at least approximately planar wave fronts 114.
- the input laser beam 108 is split into a plurality of partial beams 116 and/or partial beam bundles.
- the beam splitting element 106 By means of the beam splitting element 106, the input laser beam 108 is split into a plurality of partial beams 116 and/or partial beam bundles.
- two mutually different partial beams 116a and 116b are indicated.
- the beam splitting element 106 is designed as a far-field beam shaping element.
- the partial beams 116 or partial beam bundles coupled out of the beam splitting element 106 in particular have a divergent beam profile and/or propagate in the manner of a spherical wave.
- the device 100 comprises a focusing optics 118 into which the partial beams 116 are coupled.
- the focusing optics 118 has, for example, one or more lens elements.
- the focusing optics 118 is designed as a microscope objective.
- the focusing optics 118 has a focal length between 5 mm and 50 mm.
- the beam splitting element 106 is in particular arranged at least approximately in a rear focal plane of the focusing optics 118.
- partial beams 116 that are different from one another impinge on the focusing optics 118 with a spatial offset and/or angular offset.
- These partial beams 116 are focused by means of the focusing optics 118, so that several focus elements 120 are formed, each of which is arranged at different spatial positions. It is fundamentally possible for adjacent focus elements to spatially overlap in sections.
- one or more partial beams 116 and/or partial beam bundles are assigned to a specific focus element 120.
- a respective focus element 120 is formed by focusing one or more partial beams 116 and/or partial beam bundles.
- a focus element 120 is to be understood in particular as a focused radiation region, such as a focus spot and/or a focus point.
- the focus elements 120 each have a specific geometric shape and/or a specific intensity profile, wherein the geometric shape is to be understood as, for example, a spatial shape and/or spatial extension of the respective focus element 120.
- the geometric shape and/or the intensity profile of a specific focus element 120 is referred to below as the focus distribution 121 of the focus element 120.
- the focus distribution 121 is a property of the respective focus elements 120 and describes their respective shape and/or intensity profile. In particular, several focus elements 120 or all formed focus elements 120 have the same focus distribution.
- the focus distribution of the formed focus elements 120 is defined by the input laser beam 108, by its division by means of the Beam splitting element 106, the focus elements 120 are formed. If the input laser beam 108 were to be focused before being coupled into the beam splitting element 106, a single focus element would be formed with the focus distribution assigned to the input laser beam 108.
- the input laser beam 108 when provided by the laser beam source 110, for example, has a Gaussian beam profile.
- a focus element By focusing the input laser beam 108, a focus element would be formed in this case, which has a focus distribution with a Gaussian shape and/or Gaussian intensity profile.
- a Bessel-like beam profile is assigned to the input laser beam 108, so that by focusing the input laser beam 108, a focus element would be formed which has a focus distribution with a Bessel-like shape and/or Bessel-like intensity profile.
- the focus distribution of the input laser beam 108 is assigned to the partial beams 116 and/or partial beam bundles formed by splitting the input laser beam 108 by means of the beam splitting element 106 in such a way that by focusing the partial beams 116, the focus elements 120 are formed with this focus distribution and/or with a focus distribution based on this focus distribution.
- the input laser beam 108 has a Gaussian beam profile, i.e. a focus distribution with a Gaussian shape and/or Gaussian intensity profile is assigned to the input laser beam 108.
- the focus elements 120 then each have, for example, the focus distribution 121 with this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile or with a shape and/or intensity profile based on this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile (see also Fig. 5a and 5b).
- the focus elements 120 each have a focus distribution 121 with this Bessel-like beam profile or with a beam profile based on this Bessel-like profile.
- the focus elements 120 can thus be formed, for example, with a focus distribution which has an elongated shape and/or an elongated intensity profile.
- the device 100 has a beam shaping device 122 for beam shaping the input laser beam 108 (indicated in Fig. 1).
- this beam shaping device 122 is arranged in front of the beam splitting element 106 with respect to a beam propagation direction 124 of the input laser beam 108 and/or arranged between the laser beam source 110 and the beam splitting element 106.
- the beam propagation direction is understood to mean in particular a main beam propagation direction and/or an average propagation direction of a laser beam and/or beam bundle.
- the beam propagation direction corresponds in particular to a direction of a Poynting vector assigned to the laser beam or beam bundle.
- a specific beam profile can be assigned to the input laser beam 108, which defines the focus distribution 121 of the focus elements 120.
- the beam shaping device 122 can be configured, for example, to form a laser beam with a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile from a laser beam with a Gaussian beam profile.
- the beam shaping device 122 is or comprises, for example, an axicon element.
- the input laser beam 108 coupled into the beam splitting element 106 then has the quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile. Accordingly, the focus elements 120 then also have this quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile or a beam profile based on this beam profile.
- quasi-nondiffracting and/or Bessel-like beams reference is made to the book “Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 as well as to the scientific publications "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" by I.
- the focus elements 120 are in particular each formed identically to one another and/or each formed as copies of one another.
- Each of the formed focus elements 120 is assigned a specific local position xo, yo, zo, at which a respective focus element 120 is arranged with respect to the material 102 of the workpiece 104 (Fig. 2).
- the local position of a focus element 120 is to be understood as the position of its spatial center and/or center of gravity.
- each of the formed focus elements 120 is assigned a specific intensity I.
- the beam splitting element 106 the local position xo, yo, zo and in particular also the intensity I of the respective focus elements 120 can be defined.
- focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 have the same intensity I.
- a respective distance d and/or a respective spatial offset between adjacent focus elements 120 can be determined component by component in three spatial directions and/or Set spatial dimensions (in the example shown in Fig. 1 in x, y and z directions).
- the beam splitting element 106 is designed as a 3D beam splitting element or comprises a 3D beam splitting element.
- the focus elements 120 can thus be designed, for example, such that they are identical to one another and/or that they are copies of one another.
- a defined transverse phase distribution is impressed on the transverse beam cross-section 112 of the input laser beam 108.
- a transverse beam cross-section or a transverse phase distribution is to be understood in particular as a beam cross-section or a phase distribution in a plane oriented transversely and in particular perpendicularly to the beam propagation direction 124 of the input laser beam 108.
- the focus elements 120 are formed by interference of the focused partial beams 116, whereby, for example, constructive interference, destructive interference or intermediate cases thereof can occur, such as partially constructive or destructive interference.
- the phase distribution impressed by means of the beam splitting element 106 has a specific optical grating component and/or optical lens component for each focus element 120. Due to the optical grating component, after focusing the partial beams 116, a corresponding spatial offset of the formed focus elements 120 results in a first spatial direction and/or second spatial direction, e.g. in the x and/or y direction. Due to the optical lens component, partial beams 116 or partial beam bundles impinge on the focusing optics 118 at different angles or with different convergence or divergence, which results in a spatial offset in a third spatial direction, e.g. in the z direction, after focusing has taken place.
- the intensity I of the respective focus elements 120 is determined by the phase positions of the focused partial beams 116 relative to one another. These phase positions can be defined by the optical grating components and optical lens components mentioned and can be selected relative to one another when designing the beam splitting element 106 such that the focus elements 120 each have a desired intensity.
- the beam splitting element 106 is designed as a polarization beam splitting element or comprises a polarization beam splitting element.
- the beam splitting element 106 is used to split the input laser beam 108 into beams which each have one of at least two different polarization states.
- the polarization states mentioned are to be understood as linear polarization states, wherein, for example, two different polarization states are provided and/or polarization states oriented perpendicular to each other are provided.
- the polarization states are such that an electric field is oriented in a plane perpendicular to the beam propagation direction of the polarized rays (transverse electric).
- the beam splitting element 106 comprises, for example, a birefringent lens element and/or a birefringent wedge element.
- the birefringent lens element and/or the birefringent wedge element are made, for example, from a quartz crystal or comprise a quartz crystal.
- the beam splitting element 106 as a polarization beam splitting element, reference is made to the German patent application with file number 10 2020 207 715.0 (filing date: June 22, 2020) of the same applicant and to DE 10 2019 217 577 A1.
- the polarization beam splitting allows the partial beams 116 to be formed with different polarization states.
- the focus elements 120 can each be formed from beams with a specific polarization state.
- the focus elements 120 can thus each be assigned a specific polarization state and/or designed with a specific polarization state.
- the focus elements 120 can be arranged and formed such that adjacent focus elements 120 each have different polarization states.
- the focus elements 120 are introduced into the material 102 of the workpiece 104 and moved relative to the material 102 in the feed direction 126, wherein the focus elements 120 are moved in the feed direction 126 in particular at a certain feed speed.
- the feed direction 126 corresponds to the y-direction.
- the device 100 comprises a feed device 127 (indicated in Fig. 1).
- the feed device 127 is designed to move the focus elements 120 in the feed direction 126 at a defined feed speed through the material 102.
- the feed device can be implemented by means of a workpiece holder, which is designed to move the workpiece 104 arranged thereon relative to the focus elements 120.
- the workpiece 104 is plate-shaped and/or panel-shaped and/or disk-shaped.
- a second outer side 132 of the workpiece 104 is arranged at a distance from the first outer side 130, for example in the thickness direction 134 and/or depth direction of the workpiece 104.
- the material 102 of the workpiece 104 has, for example, an at least approximately constant thickness D with respect to the thickness direction 134.
- the thickness D is, for example, 500 pm.
- the feed direction 126 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the beam propagation direction 124 and/or to the thickness direction 134 of the workpiece 104.
- the formed focus elements 120 are preferably arranged in such a way that they are positioned in a projection onto a projection plane 139 oriented transversely and in particular perpendicularly to the feed direction 126 along a defined processing line 136 (see Fig. 2 and Fig. 4).
- the above-mentioned projection is understood in particular to mean an orthogonal projection of the focus elements 120 onto the projection plane.
- the processing line 136 corresponds at least in sections to a target processing geometry with which the laser processing of the material 102 and in particular a subsequent separation of the material 102 is to be carried out.
- the focus elements 120 are spaced apart from one another in the projection plane 139 and/or along the processing line 139 by an effective distance deff.
- the respective effective distances deff and intensities I of the The focus elements 130 arranged along the processing line 136 are selected such that by applying the focus elements 120 to the material 102 and moving the focus elements 120 through the material 102, material modifications 138 are formed (Fig. 3), which enable a separation of the material along this processing line 136 and/or along a processing surface corresponding to this processing line 136.
- the processing line 136 extends between the first outer side 130 and the second outer side 132 and in particular continuously and/or without interruption between the first outer side 130 and the second outer side 132 of the workpiece 104.
- the processing line 136 has several different sections 140.
- the processing line 136 has a first section 140a, a second section 140b and a third section 140c, wherein with respect to the thickness direction 134, the second section 140b adjoins the first section 140a and the third section 140c adjoins the second section 140b.
- the processing line 136 is not necessarily continuous and/or differentiable.
- the processing line 136 can have discontinuities. It can be provided that the processing line 136 has interruptions and/or gaps, on which in particular no focus elements 120 are arranged.
- the processing line 136 and/or different sections 140 of the processing line 136 can be designed, for example, as a straight line or a curve.
- two or more planes 141 spaced apart from one another are provided, in each of which different subsets of the formed focus elements 120 are arranged, wherein the planes 141 are spaced parallel to the feed direction 126.
- the planes 141 each oriented parallel to the projection plane 139 and/or transversely and in particular perpendicularly to the feed direction 126.
- a subset of the formed focus elements 120 is positioned in a first plane 141a and a further plane, which in the embodiment shown is referred to as the second plane 141b.
- the first plane 141a and the second plane 141b are spaced apart from one another in the feed direction 126 and are oriented parallel to one another, for example.
- the focus elements 120 assigned to the first plane 141a are referred to below as focus elements 120a and the focus elements 120 assigned to the second plane 141b are referred to below as focus elements 120b.
- a total set of focus elements 120a and 120b is shown in the form of a projection of these focus elements 120a and 120b onto the projection plane 139.
- focus elements 120a and focus elements 120b are present, which are arranged in the projection plane 139 at different positions xo, zo.
- a distance do between the first level 141a and the second level 141b is, for example, between 5 pm and 20 pm. Typically, the distance do is approximately 10 pm.
- the distance d already mentioned above is basically to be understood as the real distance between adjacent focus elements 120 in the three spatial directions x, y, z and/or spatial dimensions.
- the respective distance d between adjacent focus elements 120 is between 3 pm and 70 pm, preferably between 5 pm and 10 pm.
- the respective distance d between adjacent focus elements 120, which are arranged within a certain plane 141, is in the ranges mentioned.
- Gaps 143 are formed between adjacent focus elements 120, which are assigned to a specific plane 141, as shown in Fig. 5a using the example of the focus elements 120a of the first plane 141a.
- the second plane 141b contains in particular focus elements 120b, which are positioned such that they lie in the gaps 143 when viewed in the projection plane 139.
- the respective effective distance deff of the focus elements 120 provided for laser processing of the workpiece 104 can be selected differently for different focus elements 120 and/or different pairs of focus elements 120. However, it is also possible in principle that the respective distance d is at least approximately identical for all focus elements 120 provided for laser processing of the workpiece 104.
- different sections 140 of the processing line are each assigned focus elements 120 with different effective distances deff.
- the respective distances deff of the focus elements 120 assigned to a specific section 140 are then at least approximately constant.
- an effective distance component dz,eff of the effective distance deff oriented parallel to the thickness direction 134 of the material 102 and/or perpendicular to the feed direction 126 is different from zero for all focus elements 120 and/or for all pairs of mutually adjacent focus elements 120.
- all adjacent focus elements 120 are spaced apart in the thickness direction 134 by an effective distance component dz,eff that is non-zero.
- the processing line 136 and/or the respective sections 140 of the processing line 136 is assigned a specific angle of attack o and/or angle of attack range, which the processing line 136 or the respective section 140 encloses with the first outer side 130 of the workpiece 104.
- the adjacent focus elements 120 each have a further effective distance component dx,eff of the effective distance deff that is different from zero and is oriented perpendicular to the feed direction 126 and perpendicular to the effective distance component dz,eff.
- the effective distance component dz,eff and the effective distance component dx,eff each lie in a plane oriented perpendicular to the feed direction 126.
- the angle of attack o of the first section 140a and the third section 140c is 45° and that of the second section 140b is 90°.
- the material modifications 146 can be formed, for example, as type III modifications, which are associated with a spontaneous formation of cracks 137 in the material 102 of the workpiece 104. In particular, cracks 137 are formed between adjacent material modifications 146.
- the material modifications 146 as type I and/or type II modifications, which are associated with a heat accumulation in the material 102 and/or with a change in the refractive index of the material 102, by suitable selection of the processing parameters.
- the formation of the material modifications 146 as type I and/or type II modifications is associated with a heat accumulation in the material 102 of the workpiece 104.
- the respective distance d between the Focus elements 120 are chosen to be so low that this heat accumulation occurs when the material 102 is exposed to the focus elements.
- Fig. 7a shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 120, wherein the distance d for these focus elements 120 is approximately.
- Fig. 7b shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 120, wherein the distance d is approximately 8.0 ⁇ m.
- the laser processing of the workpiece 104 by means of the device 100 works as follows:
- the material 102 of the workpiece 104 is exposed to the focus elements 120 and the focus elements 120 are moved in the feed direction 126 relative to the workpiece 104 through its material 102.
- the material 102 is a material that is transparent to a wavelength of laser beams from which the focus elements 120 are each formed, such as a glass material.
- the focus elements are formed by beam shaping the input laser beam 108.
- material modifications 138 are formed in the material 102, which are arranged in a cross section oriented perpendicular to the feed direction 126 along the processing line 136 (Fig. 8a). In the example shown in Fig. 8a, material modifications 138 are formed continuously over the entire thickness D of the material 102.
- a processing surface 144 corresponding to the processing line 136 is formed, on which the material modifications 138 are arranged. This results in a planar Formation and/or arrangement of the material modifications 146 along the processing surface 144.
- the trajectory 142 can basically have straight and curved sections.
- the processing line 136 is rotated during laser processing in particular so that it always lies in a plane oriented perpendicular to the feed direction 126. This can be realized, for example, by corresponding rotation of the beam splitting element 106 or by relative rotation of the entire device 100 to the workpiece 104.
- a distance between adjacent material modifications 138 in the feed direction 126 can be defined, for example, by setting a pulse duration of the input laser beam 108 and/or by setting the feed rate.
- the material modifications 146 formed along the processing line 136 result in a reduction in the strength of the material 102. This allows the material 102 to be separated into two different workpiece segments 146a, 146b after the material modifications 146 have been formed on the processing surface 144, for example by exerting a mechanical force (Fig. 8b).
- the workpiece segment 146a is a good piece segment with a separating surface 148, which has a shape corresponding to the shape of the processing line 136.
- the workpiece segment 154a is in this case a residual workpiece segment and/or a waste segment.
- the material 102 of the workpiece 104 is, for example, quartz glass.
- a laser beam from which the focus elements 120 are formed has a wavelength of 1030 nm and a pulse duration of 1 ps. Furthermore, a numerical aperture assigned to the focusing optics 118 is 0.4 and a pulse energy assigned to a single focus element 120 is 50 to 200 nJ. To form the material modifications 138 as type III modifications, with all other parameters being equal, the pulse energy assigned to a single focus element 120 is 500 to 2000 nJ.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, bei dem ein Eingangslaserstrahl (108) mittels eines Strahlteilungselements (106) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116) aufgeteilt wird, aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelte Teilstrahlen (116) fokussiert werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen (116) mehrere Fokuselemente (120) ausgebildet werden, das Material (102) des Werkstücks (104) zur Laserbearbeitung mit den Fokuselementen (120) beaufschlagt wird und die Fokuselemente (120) relativ zu dem Material (102) in eine Vorschubrichtung (126) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120a) in einer ersten Ebene (141a) und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120b) in mindestens einer weiteren Ebene (141b) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) parallel zur Vorschubrichtung (126) beabstandet sind und wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) senkrecht zur Vorschubrichtung (126) orientiert sind.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, welches ein transparentes Material aufweist, bei dem ein Eingangslaserstrahl mittels eines Strahlteilungselements in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird, aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelte Teilstrahlen fokussiert werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen mehrere Fokuselemente ausgebildet werden, das Material des Werkstücks zur Laserbearbeitung mit den Fokuselementen beaufschlagt wird und die Fokuselemente relativ zu dem Material in eine Vorschubrichtung bewegt werden.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, welches ein transparentes Material aufweist, umfassend ein Strahlteilungselement zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen, eine Fokussieroptik zur Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelten Teilstrahlen, wobei durch die Fokussierung der Teilstrahlen mehrere Fokuselemente zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildet werden, und eine Vorschubeinrichtung zur Durchführung einer Relativbewegung der Fokuselemente relativ zu dem Material des Werkstücks in eine Vorschubrichtung.
Aus der WO 2022/167254 Al und der WO 2022/167257 Al sind jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur Laserbearbeitung eines transparenten Werkstücks bekannt, wobei das Werkstück zur Laserbearbeitung mit einer Vielzahl von Fokuselementen beaufschlagt wird.
Aus der DE 10 2014 116 958 Al ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement zur Aufprägung eines Phasenverlaufs auf einen zur Laserbearbeitung eines für den Laserstrahl weitgehend transparenten Materials vorgesehenen Laserstrahl mit einer Phasenmaske bekannt, die zur Aufprägung einer Mehrzahl von strahlformenden Phasenverläufen auf den die Phasenmaske fallenden Laserstrahl ausgebildet ist, wobei mindestens einem der Mehrzahl von strahlformenden Phasenverläufe ein virtuelles optisches Bild zugeordnet ist, das
in mindestens eine langgezogene Fokuszone zum Ausbilden einer Modifikation im zu bearbeitenden Material abbildbar ist.
Aus der EP 3 597 353 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels einer langgezogenen Fokuszone eines Laserstrahls bekannt.
Aus der JP 2020 004 889 A ist ein Verfahren zum Trennen und insbesondere Abschrägen eines transparenten Materials bekannt, wobei mittels eines Spatial Light Modulators eine Mehrzahl von Fokuspunkten zur Laserbearbeitung des Materials erzeugt werden.
Aus der US 2020/0147729 Al und der US 2020/0361037 Al sind jeweils Verfahren zur Ausbildung eines abgeschrägten Kantenbereichs an einem transparenten Material mittels eines Laserstrahls bekannt.
Aus der WO 2016/089799 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels mehrerer paralleler nichtbeugender Laserstrahlen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren und eine eingangs genannte Vorrichtung bereitzustellen, mittels welchen sich Materialmodifikationen im Material des Werkstücks ausbilden lassen, die eine Trennung des Materials mit einer verbesserten Qualität und insbesondere einer verringerten Rauheit an der Trennfläche ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in einer ersten Ebene und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in mindestens einer weiteren Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene parallel zur Vorschubrichtung beabstandet sind und wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung orientiert sind.
Bei der Laserbearbeitung des Werkstücks mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Materialmodifikationen im Material des Werkstücks ausgebildet, welche insbesondere eine Trennung des Materials ermöglichen.
Durch die Anordnung von Fokuselementen sowohl in der ersten Ebene als auch in der mindestens einen weiteren Ebene lässt sich ein senkrecht zur Vorschubrichtung orientierter effektiver Abstand der Fokuselemente verringern. Dadurch lassen sich im Material des Werkstücks zueinander benachbarte Materialmodifikationen mit einem besonders geringen Abstand ausbilden, wodurch wiederum eine Dichte der im Material ausgebildeten Materialmodifikationen erhöht wird. Es lässt sich dadurch die Trennbarkeit des Materials verbessern. Zudem lässt sich die Qualität einer sich bei Trennung des Materials ergebenden Trennfläche erhöhen, wobei sich die Trennfläche insbesondere mit einer verringerten Rauheit und/oder vergrößerten Glattheit ausführen lässt. Dadurch ergibt sich nach erfolgter Trennung eine erhöhte Kantenstabilität des Materials des Werkstücks an der Trennfläche.
Falls ein realer Abstand der zueinander benachbarten Fokuselemente zu gering wird, können sich hieraus unerwünschte Interferenzeffekte zwischen benachbarten Fokuselementen ergeben, welche beispielsweise Schwebungseffekte in der Intensität der Fokuselemente zur Folge haben können. Dies kann eine Kontrollierbarkeit der Ausbildung der Materialmodifikationen erschweren und insbesondere eine Ausbildung gleichartiger Materialmodifikationen erschweren. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die Fokuselemente zur Ausbildung der Materialmodifikationen in Vorschubrichtung "versetzt" angeordnet, wodurch sich bei einem hinreichend großen realen Abstand der Fokuselemente ein deutlich verringerter effektiver Abstand ergibt.
Unter dem Abstand oder realen Abstand zwischen Fokuselementen ist der tatsächliche Abstand zwischen dieser Fokuselementen im dreidimensionalen Raum zu verstehen. Unter dem effektiven Abstand zwischen den Fokuselementen ist der Abstand von senkrechten Projektionen der Fokuselemente in eine zur Vorschubrichtung senkrecht orientierte Projektionsebene zu verstehen.
Unter einer räumlichen Position und/oder Anordnung eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere diejenige seines Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts innerhalb des Materials zu verstehen. Insbesondere sind der
Abstand und der effektive Abstand auf die entsprechenden Mittelpunkte der Fokuselemente im Material bezogen, d.h. es handelt sich um Mittelpunktsabstände.
Durch Relativbewegung der in der ersten Ebene und der mindestens einen weiteren Ebene angeordneten Fokuselemente bezüglich des Materials in Vorschubrichtung werden zumindest in Abschnitten des Materials Materialmodifikationen ausgebildet, welche mit dem effektiven Abstand beabstandet sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Materialmodifikationen insbesondere derart ausbilden, dass sich zueinander benachbarte Materialmodifikationen im Material überlappen. Es ergibt sich dadurch insbesondere eine Rissverbindung zwischen den benachbarten Materialmodifikationen, was eine besonders gute Trennbarkeit des Materials durch Ätzen oder thermische Beaufschlagung ermöglicht.
Durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks zu einem bestimmten Zeitpunkt mit den Fokuselementen werden Materialmodifikationen ausgebildet, welche in dem Material an Positionen angeordnet sind, an welchen die Fokuselemente zu diesem Zeitpunkt im Material positioniert sind.
Insbesondere liegen alle Fokuselemente, welche der ersten Ebene und/oder der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnet sind, gleichzeitig vor.
Beispielsweise können zwei oder mehr zur Vorschubrichtung senkrecht orientierte Ebenen vorgesehen sein, in denen jeweils eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente angeordnet ist. Die vorgesehenen Ebenen sind jeweils parallel zueinander orientiert und/oder zueinander in Vorschubrichtung beabstandet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der ersten Ebene und der mindestens einen weiteren Ebene mindestens 2 pm und/oder höchstens 200 pm beträgt. Beispielsweise beträgt der Abstand ca. 10 pm.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die ausgebildeten Fokuselemente derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Projektionsebene zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene zugeordneten Fokuselementen und der mindestens einen weiteren Ebene zugeordneten Fokuselementen in der Projektionsebene an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es lässt sich dadurch ein effektiver Abstand benachbarter Fokuselemente verringern, sodass entsprechend ein Abstand von ausgebildeten benachbarten Materialmodifikationen verringert wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die ausgebildeten Fokuselemente derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Projektionsebene zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene zugeordneten Fokuselementen und der mindestens einen weiteren Ebene zugeordneten Fokuselementen in der Projektionsebene entlang einer Bearbeitungslinie positioniert sind, wobei durch Relativbewegung der Fokuselemente bezüglich des Materials in Vorschubrichtung im Material Materialmodifikationen ausgebildet werden, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind. Mittels der Bearbeitungslinie lässt sich insbesondere eine Kantengeometrie und/oder eine Querschnittsgeometrie einer durch Trennung des Materials an den Materialmodifikationen entstehenden Trennfläche definieren.
Beispielsweise weist die mindestens eine Bearbeitungslinie eine Gesamtlänge zwischen 10 pm und 10000 pm und insbesondere zwischen 100 pm und 1000 pm und insbesondere zwischen 400 pm und 600 pm auf. Es lassen sich dadurch Werkstücke mit einer Dicke im genannten Bereich bearbeiten und insbesondere Trennen.
Das Material des Werkstücks weist beispielsweise eine Dicke zwischen 10 pm und 10000 pm und vorzugsweise zwischen 100 pm und 1000 pm, beispielsweise ca. 500 pm, auf.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie über eine Dicke des Materials des Werkstücks und/oder über eine Dicke eines von dem
Werkstück abzutrennenden Werkstücksegments räumlich durchgängig ausgebildet ist.
Die Bearbeitungslinie ist nicht notwendigerweise räumlich zusammenhängend ausgebildet, sondern kann verschiedene räumlich getrennte Abschnitte aufweisen. Insbesondere kann die Bearbeitungslinie Unterbrechungen aufweisen, in denen keine Fokuselemente angeordnet sind.
Insbesondere werden durch die Relativbewegung der Fokuselemente im Material Materialmodifikationen entlang einer mit der Bearbeitungslinie korrespondierenden Bearbeitungsfläche ausgebildet. Die Materialmodifikationen sind dann insbesondere bei Betrachtung in einem zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Querschnitt durch die Bearbeitungsfläche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet. Nach erfolgter Trennung des Werkstücks an den entlang der Bearbeitungsfläche angeordneten Materialmodifikationen korrespondiert dann insbesondere eine Form und/oder Querschnittsform der bei der Trennung ausgebildeten Trennfläche mit einer Form und/oder Querschnittsform der (früheren) Bearbeitungsfläche.
Vorteilhaft kann es sein, wenn benachbarte Fokuselemente, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, in der Projektionsebene einen effektiven Abstand von mindestens 2 pm und/oder höchstens 200 pm aufweisen. Es lässt sich dadurch die Trennfläche mit besonders hoher Qualität und/oder verringerter Rauheit ausführen.
Unter den entlang der Bearbeitungslinie angeordneten und/oder in der Projektionsebene betrachteten Fokuselementen sind die Fokuselemente zu verstehen, welche der ersten Ebene und der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnet sind.
Insbesondere entspricht der effektive Abstand der Fokuselemente entlang der Bearbeitungslinie zumindest näherungsweise einem Abstand von Materialmodifikationen, welche an der mit der Bearbeitungslinie korrespondierenden Bearbeitungsfläche ausgebildet sind und in einem zur
Vorschubrichtung senkrecht orientierten Querschnitt durch die Bearbeitungsfläche positioniert sind.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein effektiver Abstand von entlang der Bearbeitungslinie angeordneten benachbarten Fokuselementen in der Projektionsebene und/oder eine Intensität der Fokuselemente so gewählt ist, dass durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen und Relativbewegung der Fokuselemente bezüglich des Materials in Vorschubrichtung im Material Materialmodifikationen ausgebildet werden, welche eine Trennung des Materials ermöglichen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zumindest eine Teilmenge von benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, in der Projektionsebene zumindest näherungsweise mit einem gleichen effektiven Abstand zueinander beabstandet sind.
Vorteilhaft kann es sein, dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand beabstandet sind, wobei der effektive Abstand eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist, und/oder eine von Null verschiedene weitere effektive Abstandskomponente aufweist, welche senkrecht zur Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist. Es lässt sich dadurch beispielsweise ein senkrechter Schnitt an dem Werkstück ausführen oder es lässt das Werkstück unter einem bestimmten Winkel anfasen.
Unter der Dickenrichtung des Werkstücks ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, welche quer und insbesondere senkrecht zu einer Außenseite des Werkstücks orientiert ist, durch welche die Fokuselemente und/oder ein Laserstrahl zur Ausbildung der Fokuselemente in das Material eingekoppelt werden.
Die Dickenrichtung ist insbesondere quer oder senkrecht zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand beabstandet sind, wobei der effektive Abstand eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert ist, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, und/oder dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand beabstandet sind, wobei der effektive Abstand eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente aufweist, welche senkrecht zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert ist, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind.
Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn ein Anstellwinkel zwischen der Bearbeitungslinie und einer Außenseite des Werkstücks, durch welche die Fokuselemente zur Laserbearbeitung in das Material des Werkstücks eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° und insbesondere höchstens 89° beträgt. Je nach Wahl des Anstellwinkels lässt sich dadurch beispielsweise ein senkrechter Schnitt an dem Werkstück ausführen oder es lässt das Werkstück unter einem bestimmten Winkel anfasen.
Darunter, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise einen bestimmten Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Bearbeitungslinie zumindest einen Abschnitt mit diesem Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist.
Insbesondere kann der Anstellwinkel mindestens 10° und/oder höchstens 80°, bevorzugt mindestens 30° und/oder höchstens 60°, besonders bevorzugt mindestens 40° und/oder höchstens 50°, betragen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, der Anstellwinkel der Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise konstant ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Anstellwinkeln aufweist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise eine Gerade ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise eine Kurve ist.
Durch Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve lassen sich beispielsweise abgerundete Segmente von dem Werkstück abtrennen. Dadurch lassen sich beispielsweise abgerundete Kanten erzeugen.
Bei Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve ist der Bearbeitungslinie beispielsweise ein bestimmter Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie bezüglich der Außenseite des Werkstücks aufweist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die ausgebildeten Fokuselemente derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Projektionsebene zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen, welche der ersten Ebene zugeordnet sind, jeweils Lücken ausgebildet sind, wobei der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnete Fokuselemente vorhanden sind, welche in den Lücken angeordnet sind. Es lässt sich dadurch ein effektiver Abstand benachbarter Fokuselemente verringern und/oder eine Dichte von im Material ausgebildeten Materialmodifikationen erhöhen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente, welche der ersten Ebene zugeordnet sind, mindestens 3 pm und/oder höchstens 70 pm und insbesondere mindestens 5 pm und/oder höchstens 10 pm beträgt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente, welche der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnet sind, mindestens 3 pm und/oder höchstens 70 pm und insbesondere mindestens 5 pm und/oder höchstens 10 pm beträgt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Aufteilung des
Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Phasenaufprägung
auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt oder eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls umfasst. Es lassen sich dadurch die Fokuselemente beispielsweise als Kopien zueinander ausbilden. Insbesondere lassen sich dadurch die Fokuselemente auf technisch einfache Weise an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abständen in das Material des Werkstücks einbringen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls ausschließlich durch Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt.
Insbesondere erfolgt die Phasenaufprägung in transversaler Richtung des Eingangslaserstrahls. Die transversale Richtung liegt in einer zur Strahlausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls senkrecht orientierten Ebene.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Polarisationsstrahlteilung erfolgt oder eine Polarisationsstrahlteilung umfasst. Dann lassen sich beispielsweise zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Interferenz zueinander benachbarter Fokuselemente verhindern, wodurch diese mit einem besonders geringen Abstand zueinander angeordnet werden können.
Es ist grundsätzlich möglich, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls sowohl mittels Phasenaufprägung als auch mittels Polarisationsstrahlteilung erfolgt.
Insbesondere ist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl. Durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen werden dadurch insbesondere Laserpulse und insbesondere ultrakurze Laserpulse in das Material eingebracht.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung, Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung und Typ III ist ein sogenannter Void bzw. Hohlraum. Der Typ einer mittels eines bestimmten Fokuselements erzeugten Materialmodifikation hängt von Laserparametern des Laserstrahls, aus welchem das entsprechende Fokuselement gebildet ist, wie z.B. der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Laserstrahls ab. Weiter hängt der Modifikationstyp von den Eigenschaften des Materials ab, wie unter anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Materials, sowie von der bei der Fokussierung des Laserstrahls in das entsprechende Fokuselement verwendeten numerischen Apertur (NA).
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im vom Fokuselement erfassten Volumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf als in den nicht modifizierten Bereichen.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen einem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.
Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können insbesondere mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void), bzw. eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die regelmäßig zu einer spontanen Rissbildung führen oder eine Rissbildung begünstigen.
Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern bzw. eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte.
Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von "reinen" Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.
Vorteilhaft kann es sein, wenn durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen mit einer Rissbildung des Materials einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen Typ-III- Materialmodifikationen sind. Insbesondere lässt sich mittels dieser Materialmodifikationen einen Trennung des Materials realisieren.
Günstig kann es sein, wenn durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet
werden, wobei die Materialmodifikationen mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen Typ-I-Materialmodifikationen und/oder Typ-II- Materialmodifikationen sind. Insbesondere lässt sich mittels dieser Materialmodifikationen einen Trennung des Materials realisieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks nach erfolgter Laserbearbeitung trennbar ist oder getrennt wird, wobei es insbesondere vorgesehen sein kann, dass das Material an einer Bearbeitungsfläche, an welcher mittels der Laserbearbeitung Materialmodifikationen ausgebildet wurden, trennbar ist oder getrennt wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks durch Ausübung einer thermischen Beaufschlagung und/oder einer mechanischen Spannung und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung trennbar ist oder getrennt wird. Beispielsweise erfolgt das Ätzen in einem ultraschallunterstützten Ätzbad. Die thermische Beaufschlagung kann beispielsweise mittels eines CO2-Laser erfolgen.
Erfindungsgemäß ist es bei der eingangs genannten Vorrichtung vorgesehen, dass das Strahlteilungselement und die Fokussieroptik dazu eingerichtet sind, die Fokuselemente derart anzuordnen, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in einer ersten Ebene und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in mindestens einer weiteren Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene parallel zur Vorschubrichtung beabstandet sind und wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung orientiert sind.
Insbesondere weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbar oder das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Strahlteilungselement als 3D- Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein 3D-Strahlteilungselement umfasst. Dann kann es vorgesehen sein, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls durch Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls und insbesondere ausschließlich durch Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt.
Günstig kann es sein, wenn das Strahlteilungselement als Polarisations- Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations- Strahlteilungselement umfasst.
Beispielsweise umfasst das Strahlteilungselement mehrere Komponenten und/oder Funktionalitäten. Es kann vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement sowohl ein 3D-Strahlteilungselement als auch ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst.
Insbesondere umfasst die Vorrichtung eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung des Eingangslaserstrahls, wobei der Eingangslaserstrahl insbesondere ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist.
Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie des Eingangslaserstrahls und/oder einer Laserenergie eines Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, transmittiert wird.
Insbesondere ist unter einem Fokuselement ein Strahlungsbereich mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung und Intensitätsverteilung zu verstehen. Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen eines bestimmten Fokuselements, wie z.B. eines Durchmessers des Fokuselements, werden nur Intensitätswerte der Intensitätsverteilung betrachtet, welche oberhalb einer bestimmten
Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, sodass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums des Fokuselements.
Insbesondere ist einem bestimmten Fokuselement jeweils ein räumlicher Wechselwirkungsbereich zugeordnet, in welchem das Fokuselement mit dem Material des Werkstücks wechselwirkt, wenn es in dieses eingebracht wird.
Insbesondere wechselwirken die in das Material eingebrachten Fokuselemente mit dem Material durch nichtlineare Absorption. Insbesondere werden mittels den Fokuselementen Materialmodifikationen im Material aufgrund nichtlinearer Absorption ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Fokuselemente gemäß der vorstehenden Definition eine maximale räumliche Ausdehnung von mindestens 0,5 pm und/oder höchstens 30 pm, bevorzugt mindestens 2 pm und/oder höchstens 10 pm, aufweisen. Insbesondere beträgt eine maximale räumliche Ausdehnung eines einem bestimmten Fokuselement zugeordneten Wechselwirkungsbereichs mit dem Material des Werkstücks mindestens 0,5 pm und/oder höchstens 30 pm, und vorzugsweise mindestens 2 pm und/oder höchstens 10 pm.
Unter der maximalen räumlichen Ausdehnung eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere die größte räumliche Ausdehnung des Fokuselements in einer beliebigen Raumrichtung zu verstehen.
Insbesondere ist eine jeweilige maximale räumliche Ausdehnung der Fokuselemente kleiner als 20% und bevorzugt kleiner als 10 % und besonders bevorzugt kleiner als 5 % einer Dicke des Materials.
Insbesondere weisen die Fokuselemente ein beugendes Strahlprofil auf. Insbesondere sind die Fokuselemente beugungsbegrenzt ausgebildet.
Beispielsweise weist ein bestimmtes Fokuselement eine gaußförmige Form und/oder ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein beugendes Strahlprofil und/oder ein gaußförmiges Strahlprofil auf.
Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder der Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Laserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 pJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von näherungsweise 20ns aufweisen.
Unter der Angabe "zumindest eine Teilmenge der Fokuselemente" kann entweder eine Teilmenge der Fokuselemente oder eine Gesamtmenge der Fokuselemente, d.h. alle Fokuselemente, zu verstehen sein.
Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Materials des Werkstücks, in welchem das Material zur Laserbearbeitung mit mehreren Fokuselementen beaufschlagt wird;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Werkstücks, in welchem durch Beaufschlagung des Werkstücks mit Fokuselementen Materialmodifikationen erzeugt wurden, welche mit einer Rissbildung des Materials einhergehen;
Fig. 4 eine Anordnung von zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildeten Fokuselementen, wobei eine Projektion der Fokuselemente in eine zur Vorschubrichtung senkrecht orientierte Projektionsebene gezeigt ist;
Fig. 5a eine Anordnung von zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildeten Fokuselementen in einem parallel zur Vorschubrichtung und zur Dickenrichtung des Werkstücks orientierten Querschnitt;
Fig. 5b die Fokuselemente gemäß Fig. 5a in einem parallel zur Vorschubrichtung und senkrecht zur Dickenrichtung des Werkstücks orientierten Querschnitt;
Fig. 6 die Fokuselemente gemäß Fig. 5a und 5b in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 7a eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit einem Abstand von ca. 17,5 pm beabstandet sind;
Fig. 7b eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit einem Abstand von ca. 8,0 |jm beabstandet sind;
Fig. 8a eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstücks mit daran ausgebildeten Materialmodifikationen, welche sich entlang einer Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche erstecken; und
Fig. 8b eine schematische perspektivische Darstellung von zwei Werkstücksegmenten, welche durch Trennung des Werkstücks gemäß Fig. 8a entlang der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche gebildet sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lassen sich in einem Material 102 des Werkstücks 104 lokalisierte Materialmodifikationen, wie beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomaren Bereich, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge haben. An diesen Materialmodifikationen lässt sich das Werkstück 104 trennen, wobei sich beispielsweise ein Werkstücksegment von dem Werkstück 104 abtrennen lässt.
Insbesondere können mittels der Vorrichtung 100 Materialmodifikationen unter einem Anstellwinkel in das Material 102 eingebracht werden, sodass sich durch Abtrennung eines Werkstücksegments von dem Werkstück 104 ein Kantenbereich des Werkstücks 104 anfasen oder abschrägen lässt.
Die Vorrichtung umfasst ein Strahlteilungselement 106, in welches ein insbesondere kollimierter Eingangslaserstrahl 108 eingekoppelt wird. Dieser Eingangslaserstrahl 108 wird mittels einer Laserstrahlquelle 110 bereitgestellt.
Insbesondere ist der Eingangslaserstrahl 108 ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl.
Es kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahlquelle 110 eine Hohlkernfaser (nicht gezeigt) umfasst, aus welcher ein mittels der Laserstrahlquelle ausgebildeter Laserstrahl austritt. Dieser Laserstrahl wird dann beispielsweise mittels einer Kollimationsoptik (nicht gezeigt) der Laserstrahlquelle 110 kollimiert, um den kollimierten Eingangslaserstrahl 108 auszubilden.
Unter dem Eingangslaserstrahl 108 ist insbesondere ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl insbesondere parallel verlaufender Strahlen umfasst. Der Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere einen transversalen Strahlquerschnitt 112 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher der Eingangslaserstrahl 108 auf das Strahlteilungselement 106 trifft. Der auf das Strahlteilungselement 106 treffende Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere zumindest näherungsweise ebene Wellenfronten 114 auf.
Mittels des Strahlteilungselements 106 wird der Eingangslaserstrahl 108 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln aufgeteilt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind zwei voneinander verschiedene Teilstrahlen 116a und 116b angedeutet.
Insbesondere ist das Strahlteilungselement 106 als Fernfeldstrahlformungselement ausgebildet. Die aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel weisen insbesondere ein divergentes Strahlprofil auf und/oder breiten sich kugelwellenartig aus.
Zur Fokussierung der aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 umfasst die Vorrichtung 100 eine Fokussieroptik 118, in welche die Teilstrahlen 116 eingekoppelt werden. Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente auf. Beispielsweise ist die Fokussieroptik 118 als Mikroskopobjektiv ausgebildet.
Beispielsweise weist die Fokussieroptik 118 eine Brennweite zwischen 5 mm und 50 mm auf.
Das Strahlteilungselement 106 ist insbesondere zumindest näherungsweise in einer rückseitigen Brennebene der Fokussieroptik 118 angeordnet.
Insbesondere treffen voneinander verschiedene Teilstrahlen 116 mit einem Ortsversatz und/oder Winkelversatz auf die Fokussieroptik 118. Diese Teilstrahlen 116 werden mittels der Fokussieroptik 118 fokussiert, sodass mehrere Fokuselemente 120 ausgebildet werden, welche jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, dass sich zueinander benachbarte Fokuselemente abschnittsweise räumlich überlappen.
Beispielsweise sind einem bestimmten Fokuselement 120 jeweils ein oder mehrere Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel zugeordnet. Beispielsweise wird ein jeweiliges Fokuselement 120 durch Fokussierung ein oder mehrerer Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel ausgebildet.
Unter einem Fokuselement 120 ist insbesondere ein fokussierter Strahlungsbereich zu verstehen, wie z.B. ein Fokusspot und/oder ein Fokuspunkt. Insbesondere weisen die Fokuselemente 120 jeweils eine bestimmte geometrische Form und/oder ein bestimmtes Intensitätsprofil auf, wobei unter der geometrischen Form beispielsweise eine räumliche Form und/oder räumliche Ausdehnung des jeweiligen Fokuselements 120 zu verstehen ist.
Die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil eines bestimmten Fokuselements 120 wird im Folgenden als Fokusverteilung 121 des Fokuselements 120 bezeichnet. Die Fokusverteilung 121 ist eine Eigenschaft der jeweiligen Fokuselemente 120 und beschreibt deren jeweilige Form und/oder Intensitätsprofil. Insbesondere weisen mehrere Fokuselemente 120 oder alle ausgebildeten Fokuselemente 120 dieselbe Fokusverteilung auf.
Die Fokusverteilung der ausgebildeten Fokuselemente 120 wird durch den Eingangslaserstrahl 108 definiert, durch dessen Aufteilung mittels des
Strahlteilungselements 106 die Fokuselemente 120 ausgebildet werden. Würde der Eingangslaserstrahl 108 vor dessen Einkopplung in das Strahlteilungselement 106 fokussiert werden, so würde ein einziges Fokuselement mit der dem Eingangslaserstrahl 108 zugeordneten Fokusverteilung ausgebildet werden.
Beispielsweise weist der Eingangslaserstrahl 108, wenn dieser z.B. mittels der Laserstrahlquelle 110 bereitgestellt wird, ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 würde in diesem Fall ein Fokuselement ausgebildet werden, welches eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil aufweist.
Alternativ hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dem Eingangslaserstrahl 108 ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, sodass durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 ein Fokuselement ausgebildet werden würde, welches eine Fokusverteilung mit Bessel-artiger Form und/oder Bessel-artigem Intensitätsprofil aufweist.
Den durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels des Strahlteilungselements 106 ausgebildeten Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln ist die Fokusverteilung des Eingangslaserstrahls 108 derart zugeordnet, dass durch Fokussierung der Teilstrahlen 116 die Fokuselemente 120 mit dieser Fokusverteilung und/oder mit einer auf dieser Fokusverteilung basierenden Fokusverteilung ausgebildet werden.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist der Eingangslaserstrahl 108 ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d. h. dem Eingangslaserstrahl 108 ist eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil zugeordnet. Die Fokuselemente 120 weisen dann beispielsweise jeweils die Fokusverteilung 121 mit dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil oder mit einer auf dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil basierenden Form und/oder basierendem Intensitätsprofil auf (vgl. auch Fig. 5a und 5b).
Falls dem Eingangslaserstrahl 108 beispielsweise ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, weisen die zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104
ausgebildeten Fokuselemente 120 jeweils eine Fokusverteilung 121 mit diesem Bessel-artigen Strahlprofil oder mit einem auf diesem Bessel-artigen Profil basierenden Strahlprofil auf. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise jeweils mit einer Fokusverteilung ausbilden, welche eine längliche Form und/oder ein längliches Intensitätsprofil aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Strahlformungseinrichtung 122 zur Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 aufweist (angedeutet in Fig. 1). Beispielsweise ist diese Strahlformungseinrichtung 122 bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 vor dem Strahlteilungselement 106 angeordnet und/oder zwischen der Laserstrahlquelle 110 und dem Strahlteilungselement 106 angeordnet.
Unter der Strahlausbreitungsrichtung ist insbesondere eine Haupt- Strahlausbreitungsrichtung und/oder eine mittlere Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls und/oder Strahlenbündels zu verstehen. Die Strahlausbreitungsrichtung entspricht insbesondere einer Richtung eines des Laserstrahls bzw. Strahlenbündels zugeordneten Poynting-Vektors.
Mittels der Strahlformungseinrichtung 122 lässt sich dem Eingangslaserstrahl 108 ein bestimmtes Strahlprofil zuordnen, welches die Fokusverteilung 121 der Fokuselemente 120 definiert.
Die Strahlformungseinrichtung 122 kann beispielsweise eingerichtet sein, um aus einem Laserstrahl mit gaußförmigem Strahlprofil einen Laserstrahl mit quasi- nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden. Hierzu ist oder umfasst die Strahlformungseinrichtung 122 beispielsweise ein Axiconelement.
Der in das Strahlteilungselement 106 eingekoppelte Eingangslaserstrahl 108 weist dann das quasi-nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil auf. Entsprechend weisen dann die Fokuselemente 120 ebenfalls dieses quasi- nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil auf oder ein auf diesem Strahlprofil basierendes Strahlprofil auf.
Hinsichtlich der Definition und der Realisierung quasi-nichtbeugender und/oder Bessel-artiger Strahlen wird auf das Buch "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 sowie auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012 und "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" von K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics], 8. November 2019, verwiesen.
Durch Strahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 werden die Fokuselemente 120 insbesondere jeweils identisch zueinander ausgebildet und/oder jeweils als Kopien zueinander ausgebildet.
Jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 ist eine bestimmte örtliche Position xo, yo, zo zugeordnet, an welcher ein jeweiliges Fokuselement 120 bezüglich dem Material 102 des Werkstücks 104 angeordnet ist (Fig. 2). Beispielsweise ist unter der örtlichen Position eines Fokuselements 120 die Position seines räumlichen Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts zu verstehen.
Weiter ist insbesondere jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 eine bestimmte Intensität I zugeordnet. Mittels des Strahlteilungselements 106 lassen sich die örtliche Position xo, yo, zo und insbesondere auch die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 definieren.
Insbesondere weisen mehrere oder alle zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 dieselbe Intensität I auf. Es ist allerdings auch möglich, dass mehrere der ausgebildeten Fokuselemente 120 unterschiedliche Intensitäten I aufweisen.
Insbesondere lässt sich mittels des Strahlteilungselements 106 ein jeweiliger Abstand d und/oder ein jeweiliger Ortsversatz zwischen einander benachbarten Fokuselementen 120 komponentenweise in drei Raumrichtungen und/oder
Raumdimensionen einstellen (bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel in x-, y- und z- Richtung).
Vorzugsweise ist das Strahlteilungselement 106 als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D-Strahlteilungselement. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise derart ausbilden, dass diese jeweils identisch zueinander sind und/oder dass diese jeweils Kopien zueinander darstellen.
Hinsichtlich der technischen Realisierung und Eigenschaften des als 3D- Strahlteilungselement ausgeführten Strahlteilungselements 106 wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119vl [physics. optics], 18. Dezember 2020, verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Zur Durchführung der Strahlteilung wird bei einer Ausführungsform des Strahlteilungselements 106, bei welcher das Strahlteilungselement 106 beispielsweise als 3D-Strahlteilungselement ausgeführt ist, auf den transversalen Strahlquerschnitt 112 des Eingangslaserstrahls 108 eine definierte transversale Phasenverteilung aufgeprägt. Unter einem transversalen Strahlquerschnitt bzw. einer transversalen Phasenverteilung ist insbesondere ein Strahlquerschnitt bzw. eine Phasenverteilung in einer zur Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene zu verstehen.
Die Fokuselemente 120 werden durch Interferenz der fokussierten Teilstrahlen 116 ausgebildet, wobei beispielsweise konstruktive Interferenz, destruktive Interferenz oder Zwischenfälle hiervon auftreten können, wie z.B. teilweise konstruktive oder destruktive Interferenz.
Zur Ausbildung der Fokuselemente 120 an der jeweiligen Position xo, yo, zo und/oder mit dem jeweiligen Abstand d weist die mittels des Strahlteilungselements 106 aufgeprägte Phasenverteilung für jedes Fokuselement 120 einen bestimmten optischen Gitteranteil und/oder optischen Linsenanteil auf.
Aufgrund des optischen Gitteranteils ergibt sich nach Fokussierung der Teilstrahlen 116 ein entsprechender Ortsversatz der ausgebildeten Fokuselemente 120 in einer ersten Raumrichtung und/oder zweiten Raumrichtung, z.B. in der x- und/oder y-Richtung. Aufgrund des optischen Linsenanteils treffen Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel mit unterschiedlichen Winkeln bzw. unterschiedlicher Konvergenz oder Divergenz auf die Fokussieroptik 118, was nach erfolgter Fokussierung in einem Ortsversatz in einer dritten Raumrichtung, z.B. in der z-Richtung, resultiert.
Die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 ist bestimmt durch die Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 116 zueinander. Diese Phasenlagen sind durch die genannten optischen Gitteranteile und optischen Linsenanteile definierbar und können bei der Auslegung des Strahlteilungselements 106 so zueinander gewählt werden, dass die Fokuselemente 120 jeweils eine gewünschte Intensität aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement 106 als Polarisations-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst. In diesem Fall wird mittels des Strahlteilungselements 106 eine Polarisationsstrahlteilung des Eingangslaserstrahls 108 in Strahlen durchgeführt, welche jeweils einen von mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen.
Insbesondere sind unter den genannten Polarisationszuständen lineare Polarisationszustände zu verstehen, wobei beispielsweise zwei unterschiedliche Polarisationszustände vorgesehen sind und/oder zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände vorgesehen sind.
Insbesondere sind die Polarisationszustände derart, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung der polarisierten Strahlen orientiert ist (transversal elektrisch).
Zur Polarisationsstrahlteilung umfasst das Strahlteilungselement 106 beispielsweise ein doppelbrechendes Linsenelement und/oder ein
doppelbrechendes Keilelement. Das doppelbrechende Linsenelement und/oder das doppelbrechende Keilelement sind beispielsweise aus einem Quarzkristall hergestellt oder umfassen einen Quarzkristall.
Hinsichtlich der Funktionsweise und Ausführung des Strahlteilungselements 106 als Polarisations-Strahlteilungselement wird auf die deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2020 207 715.0 (Anmeldetag: 22. Juni 2020) der gleichen Anmelderin und auf die DE 10 2019 217 577 Al verwiesen.
Durch die Polarisationsstrahlteilung lassen sich insbesondere die Teilstrahlen 116 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Durch Fokussierung dieser Teilstrahlen 116 mittels der Fokussieroptik 118 können die Fokuselemente 120 jeweils aus Strahlen mit einem bestimmten Polarisationszustand ausgebildet werden. Den Fokuselementen 120 lässt sich dadurch jeweils ein bestimmter Polarisationszustand zuordnen und/oder mit einem bestimmten Polarisationszustand ausführen.
Insbesondere lassen sich durch Polarisationsstrahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 die Fokuselemente 120 so anordnen und ausbilden, dass zueinander benachbarte Fokuselemente 120 jeweils unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen.
Zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 werden die Fokuselemente 120 in das Material 102 des Werkstücks 104 eingebracht und relativ zu dem Material 102 in die Vorschubrichtung 126 bewegt, wobei die Fokuselemente 120 insbesondere mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit in die Vorschubrichtung 126 bewegt werden. Bei dem gezeigten Beispiel entspricht die Vorschubrichtung 126 der y-Richtung.
Zur Durchführung einer Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 umfasst die Vorrichtung 100 eine Vorschubeinrichtung 127 (angedeutet in Fig. 1). Die Vorschubeinrichtung 127 ist dazu eingerichtet, die Fokuselemente 120 in Vorschubrichtung 126 mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit durch das Material 102 zu bewegen. Beispielsweise kann die Vorschubeinrichtung mittels einer Werkstückhalterung realisiert sein,
welche dazu eingerichtet ist, das an dieser angeordnete Werkstück 104 relativ zu den Fokuselementen 120 zu bewegen.
Die Einkopplung der Fokuselemente 120, welche zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 in das Material 102 eingebracht werden, erfolgt beispielsweise durch eine erste Außenseite 130 des Werkstücks 104 hindurch.
Beispielsweise ist das Werkstück 104 plattenförmig und/oder tafelförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet. Eine zweite Außenseite 132 des Werkstücks 104 ist beispielsweise in Dickenrichtung 134 und/oder Tiefenrichtung des Werkstücks 104 zu der ersten Außenseite 130 beabstandet angeordnet.
Das Material 102 des Werkstücks 104 weist beispielsweise bezüglich der Dickenrichtung 134 eine zumindest näherungsweise konstante Dicke D auf. Die Dicke D beträgt beispielsweise 500 pm.
Die Vorschubrichtung 126 ist quer und insbesondere senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung 124 und/oder zur Dickenrichtung 134 des Werkstücks 104 orientiert.
Die ausgebildeten Fokuselemente 120 werden vorzugsweise derart angeordnet, dass diese in einer Projektion auf eine zur Vorschubrichtung 126 quer und insbesondere senkrecht orientierte Projektionsebene 139 entlang einer definierten Bearbeitungslinie 136 positioniert sind (vgl. Fig. 2 und Fig. 4). Unter der genannten Projektion wird insbesondere eine Orthogonalprojektion der Fokuselemente 120 auf die Projektionsebene verstanden.
Die Bearbeitungslinie 136 korrespondiert zumindest abschnittsweise mit einer Soll-Bearbeitungsgeometrie, mit welcher die Laserbearbeitung des Materials 102 und insbesondere eine sich anschließende Trennung des Materials 102 durchgeführt werden soll.
Die Fokuselemente 120 sind in der Projektionsebene 139 und/oder entlang der Bearbeitungslinie 139 mit einem effektiven Abstand deff zueinander beabstandet. Die jeweiligen effektiven Abstände deff und Intensitäten I der entlang der
Bearbeitungslinie 136 angeordneten Fokuselemente 130 sind so gewählt, dass durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 und Bewegung der Fokuselemente 120 durch das Material 102 Materialmodifikationen 138 ausgebildet werden (Fig. 3), welche eine Trennung des Materials entlang dieser Bearbeitungslinie 136 und/oder entlang einer mit dieser Bearbeitungslinie 136 korrespondierenden Bearbeitungsfläche ermöglichen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die Bearbeitungslinie 136 zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 und insbesondere durchgängig und/oder unterbrechungsfrei zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 des Werkstücks 104 erstreckt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 136 mehrere unterschiedliche Abschnitte 140 aufweist. Beispielsweise weist die Bearbeitungslinie 136 bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel einen ersten Abschnitt 140a, einen zweiten Abschnitt 140b und einen dritten Abschnitt 140c auf, wobei sich bezüglich der Dickenrichtung 134 der zweite Abschnitt 140b an den ersten Abschnitt 140a anschließt und der dritte Abschnitt 140c an den zweiten Abschnitt 140b anschließt.
Die Bearbeitungslinie 136 ist nicht notwendigerweise stetig und/oder differenzierbar ausgebildet. Beispielsweise kann die Bearbeitungslinie 136 Unstetigkeiten aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 136 Unterbrechungen und/oder Lücken aufweist, an welchen insbesondere keine Fokuselemente 120 angeordnet sind.
Die Bearbeitungslinie 136 und/oder unterschiedliche Abschnitte 140 der Bearbeitungslinie 136 können beispielsweise als Gerade oder Kurve ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind zwei oder mehr zueinander beabstandete Ebenen 141 vorgesehen, in denen jeweils unterschiedliche Teilmengen der ausgebildeten Fokuselemente 120 angeordnet sind, wobei die Ebenen 141 parallel zur Vorschubrichtung 126 beabstandet sind. Beispielsweise sind die Ebenen 141
jeweils parallel zur Projektionsebene 139 orientiert und/oder quer und insbesondere senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientiert.
Bei dem in den Fig. 5a, 5b und 6 gezeigten Beispiel ist jeweils eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente 120 in einer ersten Ebene 141a und einer weiteren Ebene positioniert, welche bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als zweite Ebene 141b bezeichnet ist. Die erste Ebene 141a und die zweite Ebene 141b sind in Vorschubrichtung 126 zueinander beabstandet und sind beispielsweise parallel zueinander orientiert. Die der ersten Ebene 141a zugeordneten Fokuselemente 120 werden nachfolgend als Fokuselemente 120a bezeichnet und die der zweiten Ebene 141b zugeordneten Fokuselemente 120 werden nachfolgend als Fokuselemente 120b bezeichnet. In Fig. 4 ist eine Gesamtmenge der Fokuselemente 120a und 120b in Form einer Projektion dieser Fokuselemente 120a und 120b auf die Projektionsebene 139 gezeigt.
Insbesondere sind Fokuselemente 120a und Fokuselemente 120b vorhanden, welche in der Projektionsebene 139 an unterschiedlichen Positionen xo, zo angeordnet sind.
Ein Abstand do zwischen der ersten Ebene 141a der zweiten Ebene 141b beträgt beispielsweise zwischen 5 pm und 20 pm. Typischerweise beträgt der Abstand do ca. 10 pm.
Unter dem bereits vorstehend genannten Abstand d ist grundsätzlich der reale Abstand zwischen benachbarten Fokuselementen 120 in den drei Raumrichtungen x, y, z und/oder Raumdimensionen zu verstehen.
Es ist vorgesehen, dass der jeweilige Abstand d benachbarter Fokuselemente 120 zwischen 3 pm und 70 pm, bevorzugt zwischen 5 pm und 10 pm, beträgt. Insbesondere liegt der jeweilige Abstand d benachbarter Fokuselemente 120, welche innerhalb einer bestimmten Ebene 141 angeordnet sind, in den genannten Bereichen.
Zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen 120, welche einer bestimmten Ebene 141 zugeordnet sind, sind jeweils Lücken 143 ausgebildet,
wie in Fig. 5a am Beispiel der Fokuselemente 120a der ersten Ebene 141a gezeigt.
Die zweite Ebene 141b enthält insbesondere Fokuselemente 120b, welche derart positioniert sind, dass diese bei Betrachtung in der Projektionsebene 139 in den Lücken 143 liegen.
Der jeweilige effektive Abstand deff der zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 kann für unterschiedliche Fokuselemente 120 und/oder unterschiedliche Paare von Fokuselementen 120 unterschiedlich gewählt sein. Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, dass der jeweilige Abstand d bei allen zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 zumindest näherungsweise identisch ist.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass unterschiedlichen Abschnitten 140 der Bearbeitungslinie jeweils Fokuselemente 120 mit unterschiedlichen effektiven Abständen deff zugeordnet sind. Insbesondere sind dann die jeweiligen Abstände deff der einem bestimmten Abschnitt 140 zugeordneten Fokuselemente 120 zumindest näherungsweise konstant.
Insbesondere ist eine parallel zur Dickenrichtung 134 des Materials 102 und/oder senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientierte effektive Abstandskomponente dz,eff des effektiven Abstands deff für alle Fokuselemente 120 und/oder bei allen Paaren zueinander benachbarter Fokuselemente 120 von Null verschieden.
Insbesondere sind alle benachbarten Fokuselemente 120 mit einer von Null verschiedenen effektiven Abstandskomponente dz,eff in Dickenrichtung 134 beabstandet.
Weiter ist der Bearbeitungslinie 136 und/oder den jeweiligen Abschnitten 140 der Bearbeitungslinie 136 ein bestimmter Anstellwinkel o und/oder Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie 136 bzw. der jeweilige Abschnitt 140 mit der ersten Außenseite 130 des Werkstücks 104 einschließt.
Im Fall eines Anstellwinkels zwischen 1° und 89° weisen die zueinander benachbarten Fokuselemente 120 jeweils eine von Null verschiedene weitere effektive Abstandskomponente dx,eff des effektiven Abstands deff auf, welche senkrecht zur Vorschubrichtung 126 und senkrecht zur effektiven Abstandskomponente dz,eff orientiert ist.
Die effektive Abstandskomponente dz,eff und die effektive Abstandskomponente dx,eff liegen jeweils in einer zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Ebene.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Anstellwinkel o des ersten Abschnitts 140a und des dritten Abschnitts 140c betragsmäßig 45° und derjenige des zweiten Abschnitts 140b 90°.
Durch Beaufschlagung und/oder Einbringung der Fokuselemente 120 in das Material 102 werden jeweils lokalisierte Materialmodifikationen 138 ausgebildet, welche an den jeweiligen örtlichen Positionen xo, yo, zo der entsprechenden Fokuselemente 120 in dem Material 102 angeordnet sind (Fig. 3). Durch geeignete Wahl von Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise den jeweiligen Abständen d zwischen den Fokuselementen 120, ihren jeweiligen Intensitäten I, der in Vorschubrichtung 126 orientierten Vorschubgeschwindigkeit und den Laserparametern des Eingangslaserstrahls 108, können die Materialmodifikationen 146 beispielsweise als Typ-III-Modifikationen ausgebildet werden, welche mit einer spontanen Bildung von Rissen 137 im Material 102 des Werkstücks 104 assoziiert sind. Insbesondere werden Risse 137 zwischen einander benachbarten Materialmodifikationen 146 ausgebildet.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, durch geeignete Wahl der Bearbeitungsparameter die Materialmodifikationen 146 als Typ-I- und/oder Typ- II-Modifikationen auszubilden, welche mit einer Wärmeakkumulation im Material 102 und/oder mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials 102 einhergehen. Die Ausbildung der Materialmodifikationen 146 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen ist mit einer Wärmeakkumulation im Material 102 des Werkstücks 104 assoziiert. Insbesondere wird zur Ausbildung dieser Materialmodifikationen 146 der jeweilige Abstand d zwischen den
Fokuselementen 120 so gering gewählt, dass es bei Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen zu dieser Wärmeakkumulation kommt.
Fig. 7a zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d bei diesen Fokuselementen 120 ca.
17,5 |jm beträgt. In der gezeigten Graustufendarstellung stehen hellere Bereiche für höhere Intensitäten.
Fig. 7b zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d ca. 8,0 |jm beträgt.
Die Laserbearbeitung des Werkstücks 104 mittels der Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Zur Durchführung der Laserbearbeitung wird das Material 102 des Werkstücks 104 mit den Fokuselementen 120 beaufschlagt und die Fokuselemente 120 werden in Vorschubrichtung 126 relativ zu dem Werkstück 104 durch dessen Material 102 bewegt.
Das Material 102 ist hierbei ein für eine Wellenlänge von Laserstrahlen, aus welchen die Fokuselemente 120 jeweils gebildet sind, transparentes Material, wie z.B. ein Glasmaterial. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Fokuselemente durch Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 gebildet.
Durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 werden in dem Material 102 Materialmodifikationen 138 ausgebildet, welche in einem zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Querschnitt entlang der Bearbeitungslinie 136 angeordnet sind (Fig. 8a). Bei dem in Fig. 8a gezeigten Beispiel werden Materialmodifikationen 138 durchgängig über die gesamte Dicke D des Materials 102 ausgebildet.
Durch Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 entlang einer vorgegebenen Trajektorie 142 wird eine mit der Bearbeitungslinie 136 korrespondierende Bearbeitungsfläche 144 ausgebildet, an welcher die Materialmodifikationen 138 angeordnet sind. Es ergibt sich dadurch eine flächige
Ausbildung und/oder Anordnung der Materialmodifikationen 146 entlang der Bearbeitungsfläche 144.
Die Trajektorie 142 kann grundsätzlich geradlinige und gekrümmte Abschnitte aufweisen. Im Fall von gekrümmten Abschnitten wird die Bearbeitungslinie 136 während der Laserbearbeitung insbesondere so gedreht, dass diese stets in einer zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Ebene liegt. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Drehung des Strahlteilungselements 106 oder durch relative Drehung der gesamten Vorrichtung 100 zum Werkstück 104 realisiert werden.
Ein Abstand von in Vorschubrichtung 126 benachbarten Materialmodifikationen 138 lässt sich beispielsweise durch Einstellung einer Pulsdauer des Eingangslaserstrahls 108 und/oder durch Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit definieren.
Die entlang der Bearbeitungslinie 136 ausgebildeten Materialmodifikationen 146 haben insbesondere eine Verringerung einer Festigkeit des Materials 102 zur Folge. Es lässt sich dadurch das Material 102 nach Ausbildung der Materialmodifikationen 146 an der Bearbeitungsfläche 144, beispielsweise durch Ausübung einer mechanischen Kraft, in zwei voneinander verschiedene Werkstücksegmente 146a, 146b trennen (Fig. 8b).
Das Werkstücksegment 146a ist bei dem gezeigten Beispiel ein Gutstücksegment mit einer Trennfläche 148, welche eine mit der Form der Bearbeitungslinie 136 korrespondierende Form aufweist. Das Werkstücksegment 154a ist in diesem Fall ein Restwerkstücksegment und/oder ein Verschnittsegment.
Das Material 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise Quarzglas.
Beispielsweise weist dann zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente 120 gebildet sind, eine Wellenlänge von 1030 nm und eine Pulsdauer von 1 ps auf. Weiter beträgt dann eine der Fokussieroptik 118 zugeordnete numerische Apertur 0,4 und eine einem einzigen Fokuselement 120 zugeordnete Pulsenergie 50 bis 200 nJ.
Zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-III-Modifikationen beträgt, bei ansonsten gleichen Parametern, die einem einzigen Fokuselement 120 zugeordnete Pulsenergie 500 bis 2000 nJ.
Bezugszeichenliste a Anstellwinkel d Abstand do Abstand deff effektiver Abstand dx,eff effektive Abstandskomponente dz,eff effektive Abstandskomponente
D Dicke
I Intensität xo Position in x-Richtung yo Position in y-Richtung
ZO Position in z-Richtung
100 Vorrichtung
102 Material
104 Werkstück
106 Strahlteilungselement
108 Eingangslaserstrahl
110 Laserstrahlquelle
112 Strahlquerschnitt
114 Wellenfront
116 Teilstrahlen
116a Teilstrahl
116b Teilstrahl
118 Fokussieroptik
120 Fokuselement
120a, b Fokuselement
121 Fokusverteilung
122 Strahlformungseinrichtung
124 Strahlausbreitungsrichtung
126 Vorschubrichtung
127 Vorschubeinrichtung
130 erste Außenseite
132 zweite Außenseite
Dickenrichtung
Bearbeitungslinie
Riss
Materialmodifikation
Projektionsebene
Abschnitt a erster Abschnittb zweiter Abschnittc dritter Abschnitt Ebene a erste Ebene b zweite Ebene
Trajektorie
Lücke
Bearbeitungsflächea Werkstücksegmentb Werkstücksegment Trennfläche
Claims
Patentansprüche Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, bei dem ein Eingangslaserstrahl (108) mittels eines Strahlteilungselements (106) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116) aufgeteilt wird, aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelte Teilstrahlen (116) fokussiert werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen (116) mehrere Fokuselemente (120) ausgebildet werden, das Material (102) des Werkstücks (104) zur Laserbearbeitung mit den Fokuselementen (120) beaufschlagt wird und die Fokuselemente (120) relativ zu dem Material (102) in eine Vorschubrichtung (126) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120a) in einer ersten Ebene (141a) und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120b) in mindestens einer weiteren Ebene (141b) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) parallel zur Vorschubrichtung (126) beabstandet sind und wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) senkrecht zur Vorschubrichtung (126) orientiert sind. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildeten Fokuselemente (120) derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente (120) in einer zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Projektionsebene (139) zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene (141a) zugeordneten Fokuselementen (120) und der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordneten Fokuselementen (120) in der Projektionsebene (139) an unterschiedlichen räumlichen Positionen (xo, yo, zo) angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildeten Fokuselemente (120) derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente (120) in einer zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Projektionsebene (139) zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene (141a) zugeordneten
Fokuselementen (120a) und der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordneten Fokuselementen (120b) in der Projektionsebene (139) entlang einer Bearbeitungslinie (136) positioniert sind, wobei durch Relativbewegung der Fokuselemente (120) bezüglich des Materials (102) in Vorschubrichtung (126) im Material (102) Materialmodifikationen (138) ausgebildet werden, welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Relativbewegung der Fokuselemente (120) im Material (102) Materialmodifikationen (138) entlang einer mit der Bearbeitungslinie (136) korrespondierenden Bearbeitungsfläche (144) ausgebildet werden, wobei insbesondere die Materialmodifikationen (138) in einem zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Querschnitt durch die Bearbeitungsfläche (144) entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Fokuselemente (120), welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, in der Projektionsebene (139) einen effektiven Abstand (deff) von mindestens 2 pm und/oder höchstens 200 pm aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein effektiver Abstand (deff) von entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordneten benachbarten Fokuselementen (120) in der Projektionsebene (139) und/oder eine Intensität (I) der Fokuselemente (120) so gewählt ist, dass durch Beaufschlagung des Materials (102) mit den Fokuselementen (120) und Relativbewegung der Fokuselemente (120) bezüglich des Materials (102) in Vorschubrichtung (126) im Material (102) Materialmodifikationen (138) ausgebildet werden, welche eine Trennung des Materials (102) ermöglichen. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge von benachbarten Fokuselementen (120), welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, in der
Projektionsebene (139) zumindest näherungsweise mit einem gleichen effektiven Abstand (deff) zueinander beabstandet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen (120), welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand (deff) beabstandet sind, wobei der effektive Abstand (deff) eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente (dz,eff) aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung (134) des Werkstücks (104) orientiert ist, und/oder eine von Null verschiedene weitere effektive Abstandskomponente (dx,eff) aufweist, welche senkrecht zur Dickenrichtung (134) des Werkstücks (104) orientiert ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anstellwinkel (o) zwischen der Bearbeitungslinie (136) und einer Außenseite (130) des Werkstücks (104), durch welche die Fokuselemente (120) zur Laserbearbeitung in das Material (102) des Werkstücks (104) eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° und insbesondere höchstens 89° beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildeten Fokuselemente (120) derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente (120) in einer zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Projektionsebene (139) zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen (120a), welche der ersten Ebene (141a) zugeordnet sind, jeweils Lücken (143) ausgebildet sind, wobei der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordnete Fokuselemente (120b) vorhanden sind, welche in den Lücken (143) angeordnet sind. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) zueinander benachbarter Fokuselemente (120a), welche der ersten Ebene (141a) zugeordnet sind, mindestens 3 pm und/oder höchstens 70 pm und insbesondere mindestens 5 pm und/oder höchstens 10 pm beträgt, und/oder dass ein Abstand (d)
zueinander benachbarter Fokuselemente (120b), welche der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordnet sind, mindestens 3 |jm und/oder höchstens 70 |jm und insbesondere mindestens 5 |jm und/oder höchstens 10 |jm beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls (108) mittels des Strahlteilungselements (106) durch Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt (112) des Eingangslaserstrahls (108) erfolgt oder eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt (112) des Eingangslaserstrahls (108) umfasst. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beaufschlagung des Materials (102) des Werkstücks (104) mit den Fokuselementen (120) Materialmodifikationen (138) in dem Material (102) ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen (138) mit einer Rissbildung des Materials (102) einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen (120) Typ-III- Materialmodifikationen sind. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beaufschlagung des Materials (102) des Werkstücks (104) mit den Fokuselementen (120) Materialmodifikationen (138) in dem Material (102) ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen (138) mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials (102) einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen (138) Typ-I-Materialmodifikationen und/oder Typ-II-Materialmodifikationen sind. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, umfassend ein Strahlteilungselement (106) zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (108) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116), eine Fokussieroptik (118) zur Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelten Teilstrahlen (116), wobei durch die Fokussierung der Teilstrahlen (116) mehrere Fokuselemente (120) zur
Laserbearbeitung des Werkstücks (104) ausgebildet werden, und eine Vorschubeinrichtung (127) zur Durchführung einer Bewegung der Fokuselemente (120) relativ zu dem Material (102) des Werkstücks (104) in eine Vorschubrichtung (126), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilungselement (106) und die Fokussieroptik (118) dazu eingerichtet sind, die Fokuselemente (120) derart anzuordnen, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120a) in einer ersten Ebene (141a) und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120b) in mindestens einer weiteren Ebene (141b) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) parallel zur Vorschubrichtung (126) beabstandet sind und wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) senkrecht zur Vorschubrichtung (126) orientiert sind.
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