WO2024115146A1 - Verfahren und lasersystem zum trennen eines werkstücks - Google Patents

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WO2024115146A1
WO2024115146A1 PCT/EP2023/082270 EP2023082270W WO2024115146A1 WO 2024115146 A1 WO2024115146 A1 WO 2024115146A1 EP 2023082270 W EP2023082270 W EP 2023082270W WO 2024115146 A1 WO2024115146 A1 WO 2024115146A1
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laser beam
workpiece
processing
heating laser
feed line
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PCT/EP2023/082270
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English (en)
French (fr)
Inventor
Myriam Kaiser
Svenja Ede
Daniel FLAMM
Max KAHMANN
Jonas Kleiner
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Trumpf Laser Gmbh
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    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the invention relates to a method and a laser system for separating a workpiece.
  • 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.
  • JP 2020 004 889 A a method for separating and in particular for 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 or rounded edge region on a transparent material by means of a laser beam.
  • EP 3 597 353 A1 disclose methods for separating a transparent material by means of non-diffracting laser beams.
  • the invention is based on the object of providing a method and a laser system as mentioned above, which enable a separation of the material with a high quality at the separation surface, wherein the separation surface has a predetermined geometry.
  • a pulsed processing laser beam which forms a plurality of focus elements
  • the workpiece has a material that is transparent to the processing laser beam
  • the focus elements are introduced into the material of the workpiece and are moved relative to the material parallel to a predetermined feed line
  • Relative movement of the focus elements introduced into the material along a processing surface forms material modifications in the material
  • the processing surface protrudes in a preferred direction with respect to a partial area of the workpiece
  • the material is exposed to a heating laser beam
  • the material of the workpiece being opaque to the heating laser beam
  • the heating laser beam being moved along a heating laser beam feed line relative to the material, whereby the material is separated along the processing surface, the heating laser beam feed line running parallel to the feed line and being spaced from the feed line with a spatial offset antiparallel to the preferred direction, and the spatial offset being at least 10% and at most 50% of a diameter of the heating laser beam.
  • the spatial offset with which the heating laser beam feed line is offset from the feed line of the focus elements is at least 15% and in particular at least 20% and in particular at least 25% of the diameter of the heating laser beam.
  • the processing laser beam and/or the heating laser beam are coupled into the material of the workpiece through a first outer side thereof, wherein a thickness direction of the workpiece is oriented transversely and in particular perpendicularly to the first outer side.
  • the processing laser beam and/or the heating laser beam are directed onto the first outer side for coupling into the material.
  • the heating laser beam striking the first outer side is divergent or collimated and in particular not focused and/or not convergent.
  • the workpiece is in particular plate-shaped and/or panel-shaped and/or disc-shaped.
  • the workpiece has a first outer side and a second outer side spaced apart from the first outer side in the thickness direction of the workpiece, wherein the first outer side and the second outer side are oriented parallel or transverse to one another and/or wherein the first outer side and the second outer side are spaced apart from one another with a thickness and in particular a constant thickness of the workpiece.
  • the first outer side is the outer side of the workpiece which the processing laser beam and/or the heating laser beam first hit with respect to their respective beam propagation direction.
  • the processing laser beam is oriented perpendicular to the first outer side.
  • the heating laser beam and in particular a longitudinal center axis of the heating laser beam are oriented perpendicular to the first outer side.
  • the partial area in which the processing surface protrudes in the preferred direction is exposed to the heating laser beam. This ensures in particular that the workpiece is separated properly along the processing surface protruding in the preferred direction.
  • the heating laser beam feed line runs in the partial area with respect to which the processing surface protrudes in the preferred direction.
  • the preferred direction is oriented perpendicular to a plane which runs parallel to the feed line and parallel to the thickness direction of the workpiece to be separated.
  • the thickness direction is oriented in particular parallel to a beam propagation direction of the processing laser beam and/or the heating laser beam.
  • the preferred direction points from the interior of the partial area, with respect to which the processing surface projects in the preferred direction, in the direction of a bulge formed with respect to this partial area and/or a projection of the processing surface formed with respect to this partial area.
  • the processing surface extends continuously between a first outer side and a second outer side of the workpiece that is spaced apart from the first outer side in the thickness direction. This makes it possible in particular to achieve a continuous separation of the workpiece along the processing surface.
  • material modifications are arranged in the material on the processing surface, which enable a continuous and/or uninterrupted separation of the material between the first outer side and the second outer side by means of the heating laser beam.
  • the heating laser beam has a diameter of at least 0.5 mm and at most 5 mm and in particular of at least 2 mm and at most 4 mm. This allows the workpiece to be separated with a high quality at the separation surface.
  • the diameter of the heating laser beam is to be understood as the diameter with which the heating laser beam hits the workpiece and/or which the heating laser beam has on a first outer side of the workpiece.
  • the spatial offset antiparallel to the preferred direction is, for example, between 200 pm and 1.5 mm.
  • the processing laser beam has a wavelength of at least 300 nm and at most 1500 nm.
  • the wavelength is 1030 nm or 515 nm. This enables the focus elements formed by the processing laser beam to be introduced into a variety of materials, such as glass materials and/or plastic materials, which are suitable for Laser beams in this wavelength range or with these wavelengths are transparent.
  • the processing laser beam has ultra-short laser pulses. This makes it possible to form material modifications in a technically simple manner using the focus elements, which enable the material to be separated using the processing laser beam.
  • the pulse duration of the laser pulses is between 10 fs and 50 ns.
  • the heating laser beam has a wavelength of at least 9 pm and at most 11 pm. This enables effective separation of the workpiece by exposing its material to the heating laser beam.
  • the heating laser beam is a pulsed laser beam.
  • the heating laser beam it is also possible in principle for the heating laser beam to be a continuous wave laser beam.
  • the power of the heating laser beam is in particular between 20 W and 35 W.
  • a feed speed at which the heating laser beam is moved along the heating laser beam feed line is between 2 m/min and 3 m/min.
  • the workpiece to be separated has a thickness of between 10 pm and 10 mm and preferably between 100 pm and 1 mm and particularly preferably between 450 pm and 650 pm.
  • Workpieces with thicknesses in the above-mentioned ranges can be separated using the method according to the invention with a particularly good separation surface quality.
  • an extension length of the processing surface oriented parallel to the preferred direction is at least 5% and at most 70% and preferably at least 15% and has a maximum of 35% of the thickness of the workpiece to be separated.
  • the extension length is, for example, between 25 pm and 400 pm.
  • a workpiece segment is formed that corresponds to the partial area of the workpiece with respect to which the processing direction protrudes in the preferred direction.
  • This workpiece segment has a separating surface that corresponds to the processing surface, wherein in particular a cross-sectional geometry of the processing surface corresponds to a cross-sectional geometry of the separating surface.
  • the focus elements are arranged when viewed in a cross-section oriented perpendicular to the feed line and/or in a projection oriented perpendicular to the feed line along a predetermined processing line which defines a cross-sectional shape of the processing surface and/or a cross-sectional shape of a separation surface created by separation of the material along the processing surface.
  • an angle of attack between the processing line and a first outer side of the workpiece, through which the processing laser beam is coupled into the material of the workpiece to form the focus elements is at least in sections at least 1° and/or at most 90° and in particular at most 89°. Depending on the choice of angle of attack, this allows, for example, a vertical cut to be made on the workpiece or the workpiece to be chamfered 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 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 separated.
  • the focus elements are formed by splitting an input laser beam into a plurality of partial beams using a beam splitting element and by focusing the partial beams coupled out of the beam splitting element. This allows several focus elements to be formed using the input laser beam, wherein in particular the properties of the focus elements, such as their geometric shape and/or their intensity profile, are defined by the input laser beam and/or are based on the input laser beam.
  • the input laser beam is split using the beam splitting element by phase imprinting on a beam cross-section of the input laser beam or by phase imprinting on a Beam cross-section of the input laser beam.
  • This allows the focus elements to be designed as copies of one another, for example. In particular, this allows the focus elements to be introduced into the material of the workpiece in a technically simple manner at different positions and/or at different distances.
  • 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.
  • Type I is an isotropic refractive index change
  • Type II is a birefringent refractive index change
  • Type III is a so-called void.
  • the type of material modification created by a specific focus element depends on the 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 a 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 called a micro-explosion. Since this expansion takes place within the mass of the material, 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. Due to the compaction at the shock front The micro-explosion creates tensions in the transparent material, which regularly lead to spontaneous deformity or promote deformity.
  • a type III modification is the result, then a less dense or hollow core or a defect is always present.
  • sapphire with a type III modification the micro-explosion does not create a cavity, but rather an area of lower density.
  • 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 a deformation 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.
  • a laser system for separating a workpiece, comprising a laser beam source, a beam splitting element and a focusing optics, which are jointly designed to provide a processing laser beam that forms a plurality of focus elements for introduction into a material of the workpiece, a feed device for carrying out a melting movement of the focus elements with respect to the material of the workpiece parallel to a predetermined feed line in order to form material modifications arranged in the material along a processing surface, wherein it is provided that the processing surface protrudes in a preferred direction with respect to a partial area of the workpiece, a further laser beam source for providing a heating laser beam, wherein the feed device is configured to move the heating laser beam along a heating laser beam feed line relative to the material in order to separate the material along the processing surface, wherein the heating laser beam feed line runs parallel to the feed line and is spaced from the feed line with a spatial offset antiparallel to the preferred direction, and wherein the spatial offset is at least 10% and at most 50%
  • the laser system according to the invention has one or more further features and/or advantages of the method according to the invention.
  • Advantageous embodiments of the laser system 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 laser system according to the invention or the method according to the invention is carried out by means of the laser system according to the invention.
  • the laser system according to the invention is suitable for separating a workpiece which comprises a material which is transparent to the processing laser beam and/or a material which is opaque to the heating laser beam.
  • 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.
  • a transparent material is understood to mean a material through which at least 70% and in particular at least 80% and in particular at least 90% of the laser energy of the processing laser beam is transmitted. If the processing laser beam is directed, for example, onto a first outer side of the workpiece, at least 70% and in particular at least 80% and in particular at least 90% of the laser energy of the processing laser beam is transmitted onto a second outer side of the workpiece that is spaced apart from the first outer side in the beam propagation direction and/or thickness direction.
  • An opaque and/or non-transparent material is understood to mean a material through which no more than 10% and in particular no more than 5% and in particular no more than 3% of the laser energy of the heating laser beam is transmitted. If the heating laser beam is directed, for example, onto a first outer side of the workpiece, no more than 10% and in particular no more than 5% and in particular no more than 3% of the laser energy of the processing laser beam is transmitted onto a second outer side of the workpiece that is spaced apart from the first outer side in the beam propagation direction and/or thickness direction.
  • a focus element is understood to be a radiation area with a specific spatial extent and intensity distribution.
  • a specific focus element such as a diameter of the focus element.
  • the intensity threshold is chosen, for example, so that values below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for 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 certain focus element has a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
  • the focus elements it is also possible for the focus elements to have a non-diffractive and in particular a Bessel-like beam profile.
  • the processing laser beam has a diffractive beam profile and/or a Gaussian beam profile.
  • adjacent focus elements have a distance of at least 3
  • material modifications adjacent to one another, which are arranged on the processing surface have a distance between 3
  • material modifications adjacent to one another, which are arranged on the processing surface have a distance between 1 pm and 30 pm, wherein a distance direction associated with this distance is oriented parallel to the feed line and/or the feed direction of the focus elements.
  • material modifications adjacent to one another which are arranged on the processing surface, are spaced apart at such a distance that a deformation occurs between adjacent material modifications and/or that a separation of the material on the processing surface is made possible by means of the heating laser beam.
  • the processing laser beam has an average power of at least 1W to 1kW.
  • the processing 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 processing 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 be understood to 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 laser system for separating 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 to form material modifications, wherein the focus elements are arranged along a processing line having different straight sections;
  • 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. 4a 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. 4b 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 pm;
  • Fig. 5a is a schematic perspective view of a workpiece with material modifications formed thereon, which extend along a processing line and/or processing surface;
  • Fig. 5b is a schematic perspective view of two workpiece segments formed by separating the workpiece according to Fig. 5a along the machining line and/or machining surface;
  • Fig. 6 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 to form material modifications, the focus elements being positioned along an arcuate processing line.
  • FIG. 1 An embodiment of a laser system for separating 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, the workpiece 104 can be divided into two workpiece segments or a workpiece segment can be separated from the workpiece 104.
  • the laser system 100 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 of the laser system 100.
  • 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 110 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 input laser beam 108.
  • the input laser beam 108 is understood to be a beam bundle which comprises a plurality of beams, in particular beams which run parallel.
  • the input laser beam 108 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 impinging on the beam splitting element 106 has at least approximately planar wave fronts 114.
  • the input laser beam 108 is split into a plurality of partial beams 116 or partial beam bundles.
  • the input laser beam 108 is split into a plurality of partial beams 116 or partial beam bundles.
  • two mutually different partial beams 116a and 116b or partial beam bundles are indicated.
  • the beam splitting element 106 is designed as a far-field beam shaping element.
  • the 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 laser system 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 for example, 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, with a sum of the partial beams 116 focused by means of the focusing optics 118 being referred to as the processing laser beam 119.
  • the processing laser beam 119 By focusing the partial beams, a plurality of focus elements 120 are formed, each of which is arranged at different spatial positions. It is fundamentally possible for adjacent focus elements 120 to spatially overlap in sections.
  • the processing laser beam 119 is therefore understood to mean the partial beams emerging from the processing optics 118, which form the focus elements 120.
  • a specific focus element 120 is assigned a plurality of partial beams 116, i.e. a specific focus element 120 is formed from a plurality of partial beams 116 striking the focusing optics 118.
  • a focus element 120 is understood to mean in particular a focused radiation area, 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 understood to mean, 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 which the focus elements 120 are formed by splitting it using the beam splitting element 106. 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 can have 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 121 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 121 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 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, ie the input laser beam 108 is assigned a focus distribution with a Gaussian shape and/or Gaussian intensity profile
  • 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. 4a and 4b).
  • the focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 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 designed, for example, with a focus distribution which has an elongated shape and/or an elongated intensity profile.
  • the laser system 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 a main beam propagation direction and/or a mean propagation direction of a laser beam or beam bundle.
  • the beam propagation direction corresponds in particular to a direction of a beam of light that is parallel 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, for example, be set up 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 comprises, for example, a diffractive optical element and/or axicon element and/or an axicon-like element.
  • the input laser beam 108 coupled into the beam splitting element 106 then has the quasi-non-diffractive or Bessel-like beam profile. Accordingly, the focus elements 120 then also have this quasi-non-diffractive or Bessel-like beam profile or a beam profile based on this beam profile.
  • 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 By means of the beam splitting element 106, the local position xo, yo, zo and the intensity I of the respective focus elements 120 can thus 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 adjusted component by component in three spatial directions and/or spatial dimensions (in the example shown in Figs. 1 and 2 in the x-, y- and z-directions).
  • the distance d between adjacent focus elements 120 is, for example, between 3 pm and 70 pm.
  • 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.
  • 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 hit 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, for example, made of a quartz crystal or comprise a quartz crystal.
  • the beam splitting element 106 as a polarization beam splitting element, reference is made to DE 10 2020 207 715 Al and DE 10 2019 217 577 Al.
  • 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 in particular be moved at a certain feed rate in the feed direction 126.
  • the feed direction 126 corresponds to the y-direction.
  • the laser system 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 127 can be implemented by means of a workpiece holder which is designed to move the workpiece 104 arranged thereon with respect to the focus elements 120. It is also possible in principle for the focus elements 120 to be moved with respect to the material 102. For this purpose, for example, the laser system 100 or parts of the laser system 100 are moved with respect to the material 102.
  • 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 second outer side 132 is oriented parallel or transversely to the first outer side 130.
  • the material 102 of the workpiece 104 has, for example, an at least approximately constant thickness D with respect to the thickness direction 134, wherein the thickness D is, for example, 550 pm.
  • the thickness direction 134 is understood to mean a distance direction between the first outer side 130 and the second outer side 132.
  • 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 arranged such that they are positioned along a defined processing line 136 (see Fig. 2), wherein the processing line 136 lies in a plane oriented perpendicular to the feed direction 126.
  • the processing line 136 corresponds to a target geometry with which a separation of the material 102 is to be carried out.
  • the respective distances d and intensities I of the focus elements 120 arranged along the processing line 136 are selected such that by applying the focus elements 120 to the material 102 or by 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 or along a processing surface corresponding to this processing line 136.
  • Figs. 2 and 3 the focus elements 120 and the material modifications 138 are each shown in a cross-section through the workpiece 104 oriented perpendicular to the feed direction 126.
  • processing line 136 extends continuously and/or without interruption between the first outer side 130 and the second outer side 132.
  • Focus elements 120 are arranged continuously and/or without interruption along the processing line 136 in order to produce material modifications 138 arranged along the processing line 136, which enable a continuous separation of the material 102 between the first outer side 130 and the second outer side 132.
  • the processing line 136 can have several different sections 140.
  • the processing line 136 has a first section 140a, a second section 140b and a third section 140c, with respect to the thickness direction 134 the second section 140b connects to the first section 140a and the third section 140c connects to the second section 140b.
  • the processing line 136 is not necessarily continuous and/or differentiable.
  • the processing line 136 can have discontinuities.
  • the processing line 136 and/or different sections 140 of the processing line 136 can be designed as a straight line or curve, for example.
  • the processing line can be curved or circular in shape.
  • the respective distance d 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.
  • focus elements 120 with different distances d are assigned to different sections 140 of the processing line 136.
  • the respective distances d of the focus elements 120 assigned to a specific section 140 are then at least approximately identical.
  • a distance component dz of the distance d 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 different from zero.
  • processing line 136 and/or the respective sections 140 of the processing line 136 are assigned a specific angle of attack o and/or angle of attack range, which the processing line 136 or the respective section 140 with the first outer side 130 of the workpiece 104.
  • the adjacent focus elements 120 each have a further distance component dx of the distance d that is different from zero and is oriented perpendicular to the feed direction 126 and perpendicular to the distance component dz.
  • the distance component dz and the distance component dx 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 focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 all lie in a plane which is oriented perpendicular to the feed direction 126. In the situation shown in Fig. 2, for example, the local position zo with respect to the z-direction would then be the same for all focus elements 120 at a certain point in time.
  • the processing line 136 or the arrangement of the focus elements 120 along the processing line 136 is defined by viewing the focus elements 120 in a projection plane oriented perpendicular to the feed direction 126.
  • all focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 are present simultaneously at a certain point in time and are in particular not formed one after the other.
  • localized material modifications 138 are formed, which are arranged at the respective local positions xo, yo, zo of the corresponding focus elements 120 in the material 102 (Fig. 3).
  • the material modifications 138 can be formed, for example, as type III modifications, which are accompanied by a spontaneous formation of cracks 137 in the material 102 of the workpiece 104.
  • cracks 137 are formed between adjacent material modifications 138.
  • the material modifications 138 as type I and/or type II modifications by suitable selection of the processing parameters, which are associated with an accumulation of heat in the material 102 and/or with a change in a refractive index of the material 102.
  • the formation of the material modifications 138 as type I and/or type II modifications is associated with an accumulation of heat in the material 102 of the workpiece 104.
  • the respective distance d between the focus elements 120 is selected to be so small that this accumulation of heat occurs when the material 102 is exposed to the focus elements 120.
  • Fig. 4a shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 120, wherein the distance d for these focus elements 120 is approximately 17.5 pm. In the grayscale representation shown, brighter areas represent higher intensities.
  • Fig. 4b shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 120, wherein the distance d is approximately 8.0 pm.
  • the laser system 100 comprises a further laser beam source 144, which is designed, for example, as a CO2 laser or comprises a CO2 laser.
  • a wavelength of the heating laser beam 142 is, for example, between 9 pm and 11 pm.
  • the wavelength is 10.6 pm.
  • a power of the heating laser beam 142 is then, for example, between 20 W and 35 W.
  • the heating laser beam 142 is a pulsed laser beam, with a frequency between 10 kHz and 15 kHz, for example 12.5 kHz. It is also possible in principle for the heating laser beam 142 to be a continuous wave laser beam (cw laser beam).
  • the heating laser beam 142 is understood to be a beam bundle that includes a plurality of beams.
  • the heating laser beam 142 has a transverse beam cross section 146 and/or a transverse beam extension with which it strikes the first outer side 130 of the workpiece 104.
  • the heating laser beam 142 striking the first outer side 130 is divergent or collimated.
  • a longitudinal central axis 148 of the heating laser beam 142 is preferably oriented perpendicular to the first outer side 130.
  • the longitudinal central axis 148 is to be understood in particular as a beam axis and/or axis of symmetry of the heating laser beam in the beam propagation direction.
  • the longitudinal central axis 148 is oriented parallel to the beam propagation direction of the heating laser beam 142.
  • a diameter di (indicated in Fig. 6) of the heating laser beam 142 is preferably between 2 mm and 4 mm.
  • the diameter di is 2.7 mm.
  • the diameter di of the heating laser beam 142 is defined using the method of second moments according to ISO 11146-3.
  • the longitudinal center axis 148 of the heating laser beam 142 has a spatial offset Ad to a material modification 138a closest to the first outer side 130. which is oriented parallel to the first outer side 130 and/or perpendicular to the feed direction 126.
  • the spatial offset Ad is oriented parallel to the x-direction.
  • the laser processing of the workpiece 104 using the laser system 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 120 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. 5a). As shown in Fig. 5a, for example, material modifications 138 are formed continuously over the entire thickness D of the material 102.
  • a processing surface 152 corresponding to the processing line 136 is formed, on which the material modifications 138 are arranged. This results in a flat formation and/or arrangement of the material modifications 138 along the processing surface 152.
  • the feed line 150 is defined by the movement of a focus element 120a closest to the first outer side 130 relative to the material 102 (see Fig.
  • each focus element 120 is moved along a trajectory parallel to the feed line 150 (and the focus element 120a along a trajectory identical to the feed line 150).
  • the feed line 150 is thus to be understood as a reference line and/or reference trajectory for all focus elements 120.
  • the feed direction 126 is always oriented tangentially to the feed line 150. This is not necessarily constant, as shown in Fig. 5a, for example, but can fundamentally vary.
  • the feed line 150 can therefore fundamentally have straight and curved sections.
  • the feed direction 126 is varied during laser processing and the processing line 136 is rotated so that it always lies in a plane oriented perpendicular to the feed direction 126. This can be achieved, for example, by correspondingly rotating the beam splitting element 106 or by rotating parts of the laser system 100 relative 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 138 formed along the processing surface 152 result in a reduction in the strength of the material 102. This allows the material 102 to be separated into two different workpiece segments 154a, 154b after the material modifications 136 have been formed on the processing surface 152 (Fig. 5b).
  • the workpiece segment 154b is a good piece segment with a separating surface 156, 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 separation of the workpiece 104 is carried out after the material modifications 138 arranged on the processing surface 152 have been formed by means of the Heating laser beam 142 is carried out.
  • the heating laser beam 142 is directed onto the first outer side 130 and moved relative to the workpiece 104 along a heating laser beam feed line 158 which is oriented parallel to the feed line 150 along which the focus elements 120 were previously moved relative to the workpiece 104.
  • the heating laser beam feed line 158 runs at a distance from the feed line 150 with the spatial offset Ad.
  • the relative movement of the heating laser beam 142 to the material 102 of the workpiece 104 is realized, for example, by means of the feed device 127, which can be configured accordingly for this purpose.
  • the heating laser beam feed line 158 corresponds to the position of the longitudinal center axis 148 of the heating laser beam 142 on the first upper side 130. Consequently, the heating laser beam feed line 158 corresponds to a trajectory of the longitudinal center axis 148 of the heating laser beam 142 moved on the first upper side 130.
  • a feed rate at which the heating laser beam 142 is moved along the heating laser beam feed line 158 is, for example, 2.4 m/min.
  • the processing surface 152 protrudes outwards and/or is curved outwards with respect to a partial area 162 of the workpiece 104.
  • the partial area 162 corresponds to the workpiece segment 154b formed after separation.
  • the curvature of the processing surface 152 results in a bulge 164 and/or an outward projection on the workpiece segment 154 after separation.
  • the machining surface 152 (and the resulting separation surface 156) is therefore assigned a preferred direction 160 (cf. Fig. 5a and 6), which points from the interior of the workpiece 104 in the direction of the curvature of the machining surface 152 and/or the bulge 164.
  • the preferred direction 160 is oriented perpendicular to a plane 166, which runs parallel to the thickness direction 134 and parallel to the feed line 150.
  • the preferred direction 160 results from the direction of a distance do oriented parallel to the normal of the plane 166 between the material modification 138a closest to the first outer side 130 and that material modification 138b which has the greatest distance from the material modification 138a parallel to the normal (cf. Fig. 6).
  • the material modifications 138 are considered in a cross-sectional plane oriented perpendicular to the feed direction 126 or the feed line 150.
  • the preferred direction 160 thus corresponds to a directional component of a line vector oriented parallel to the normal of the plane 166 from the material modification 138a to the material modification 138b.
  • the distance do between the material modifications 138a and 138b corresponds to an extension length of the processing line 136 and/or the processing surface 152 and/or the separating surface 156 in the preferred direction 160.
  • the material modification 138a closest to the first outer side 130 can adjoin the first outer side 130 and/or penetrate the first outer side 130.
  • One direction of the spatial offset Ad is oriented opposite and/or antiparallel to the preferred direction 160.
  • the material 102 is separated along the processing surface 152, so that, for example, the workpiece segments 154a and 154b shown in Fig. 5b result.
  • the processing line 136 is curved and in particular circular-arc-shaped, so that a correspondingly curved outwardly curved processing surface 152 or separating surface 156 is obtained.
  • the distance do between the material modifications 138a and 138b is, for example, 140 pm.
  • the spatial offset Ad is 1,000 pm.
  • the material 102 of the workpiece 104 is, for example, aluminum silicate glass.
  • a laser beam from which the focus elements 120 are formed has a wavelength of 1030 nm and a pulse duration of 3 ps.
  • 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 nJ to 200 nJ.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (104), bei dem ein gepulster Bearbeitungslaserstrahl (119) bereitgestellt wird, welcher mehrere Fokuselemente (120) ausbildet, wobei das Werkstück (104) ein für den Bearbeitungslaserstrahl (119) transparentes Material (102) aufweist, die Fokuselemente (120) in das Material (102) des Werkstücks (104) eingebracht werden und relativ zu dem Material (102) parallel zu einer vorgegebenen Vorschublinie (150) bewegt werden, wobei durch Relativbewegung der in das Material (102) eingebrachten Fokuselemente (120) entlang einer Bearbeitungsfläche (152) angeordnete Materialmodifikationen (138) im Material (102) ausgebildet werden und wobei die Bearbeitungsfläche (152) bezüglich eines Teilbereichs (162) des Werkstücks (104) in eine Vorzugsrichtung (160) übersteht, und das Material (102) mit einem Heizlaserstrahl (142) beaufschlagt wird, wobei das Material (102) des Werkstücks (104) für den Heizlaserstrahl (142) opak ist, wobei der Heizlaserstrahl (142) entlang einer Heizlaserstrahl-Vorschublinie (158) relativ zu dem Material (102) bewegt wird, wodurch das Material (102) entlang der Bearbeitungsfläche (152) getrennt wird, wobei die Heizlaserstrahl-Vorschublinie (158) parallel zur Vorschublinie (150) verläuft und zur Vorschublinie (150) mit einem zur Vorzugsrichtung (160) antiparallelen Ortsversatz (Δd) beabstandet ist und wobei der Ortsversatz (Δd) mindestens 10% und höchstens 50% eines Durchmessers (d1) des Heizlaserstrahls beträgt.

Description

Verfahren und Lasersystem zum Trennen eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lasersystem zum Trennen eines Werkstücks.
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 JP 2020 004 889 A ist ein Verfahren zum Trennen und insbesondere zum Abschrägen eines transparenten Materials bekannt, wobei mittels eines Spatial Light Modulators eine Mehrzahl von Fokuspunkten zur Laserbearbeitung des Materials erzeugt wird.
Aus der US 2020/0147729 Al und der US 2020/0361037 Al sind jeweils Verfahren zur Ausbildung eines abgeschrägten oder abgerundeten Kantenbereichs an einem transparenten Material mittels eines Laserstrahls bekannt.
Aus der EP 3 597 353 Al, der EP 3 487 656 Bl und der WO 2016/089799 Al sind Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels nichtbeugender Laserstrahlen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren und ein eingangs genanntes Lasersystem bereitzustellen, welche eine Trennung des Materials mit einer hohen Qualität an der Trennfläche ermöglichen, wobei die Trennfläche eine vorgegebene Geometrie aufweist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein gepulster Bearbeitungslaserstrahl bereitgestellt wird, welcher mehrere Fokuselemente ausbildet, wobei das Werkstück ein für den Bearbeitungslaserstrahl transparentes Material aufweist, die Fokuselemente in das Material des Werkstücks eingebracht werden und relativ zu dem Material parallel zu einer vorgegebenen Vorschublinie bewegt werden, wobei durch Relativbewegung der in das Material eingebrachten Fokuselemente entlang einer Bearbeitungsfläche angeordnete Materialmodifikationen im Material ausgebildet werden und wobei die Bearbeitungsfläche bezüglich eines Teilbereichs des Werkstücks in eine Vorzugsrichtung übersteht, und das Material mit einem Heizlaserstrahl beaufschlagt wird, wobei das Material des Werkstücks für den Heizlaserstrahl opak ist, wobei der Heizlaserstrahl entlang einer Heizlaserstrahl- Vorschublinie relativ zu dem Material bewegt wird, wodurch das Material entlang der Bearbeitungsfläche getrennt wird, wobei die Heizlaserstrahl-Vorschublinie parallel zur Vorschublinie verläuft und zur Vorschublinie mit einem zur Vorzugsrichtung antiparallelen Ortsversatz beabstandet ist und wobei der Ortsversatz mindestens 10% und höchstens 50% eines Durchmessers des Heizlaserstrahls beträgt.
Es hat sich gezeigt, dass die Einstrahlung des Heizlaserstrahls mit dem genannten Ortsversatz eine gezielte Rissbildung zwischen an der Bearbeitungsfläche angeordneten Materialmodifikationen bewirkt. Diese Rissbildung führt dann zu einer Trennung des Materials mit einer Trennfläche, welche eine mit der Bearbeitungsfläche korrespondierende geometrische Form aufweist. Zudem wird dadurch die Trennfläche mit verbesserter Qualität ausgebildet, wobei die Trennfläche insbesondere eine verringerte Rauheit aufweist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Ortsversatz, mit welcher die Heizlaserstrahl-Vorschublinie zur Vorschublinie der Fokuselemente versetzt ist, mindestens 15 % und insbesondere mindestens 20 % und insbesondere mindestens 25 % des Durchmessers des Heizlaserstrahls beträgt. Es ergeben sich dadurch die genannten Vorteile.
Aus den genannten Gründen kann es günstig sein, wenn der Bearbeitungslaserstrahl und/oder der Heizlaserstrahl durch eine erste Außenseite des Werkstücks in dessen Material eingekoppelt werden, wobei eine Dickenrichtung des Werkstücks quer und insbesondere senkrecht zur ersten Außenseite orientiert ist. Insbesondere werden der Bearbeitungslaserstrahl und/oder der Heizlaserstrahl zur Einkopplung in das Material auf die erste Außenseite gerichtet. Insbesondere ist der auf die erste Außenseite treffende Heizlaserstrahl divergent oder kollimiert und insbesondere nicht fokussiert und/oder nicht konvergent.
Das Werkstück ist insbesondere plattenförmig und/oder tafelförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet. Insbesondere weist das Werkstück eine erste Außenseite und eine zur ersten Außenseite in Dickenrichtung des Werkstücks beabstandete zweite Außenseite auf, wobei die erste Außenseite und die zweite Außenseite parallel oder quer zueinander orientiert sind und/oder wobei die erste Außenseite und die zweite Außenseite mit einer Dicke und insbesondere konstanten Dicke des Werkstücks zueinander beabstandet sind.
Insbesondere ist die erste Außenseite diejenige Außenseite des Werkstücks, auf welche der Bearbeitungslaserstrahl und/oder der Heizlaserstrahl bezüglich ihrer jeweiligen Strahlausbreitungsrichtung als erstes treffen.
Insbesondere ist der Bearbeitungslaserstrahl senkrecht zur ersten Außenseite orientiert. Insbesondere ist der Heizlaserstrahl und insbesondere eine Längsmittelachse des Heizlaserstrahls senkrecht zur ersten Außenseite orientiert.
Aus den eingangs genannten Gründen ist es vorteilhaft, wenn der Teilbereich, bezüglich welchem die Bearbeitungsfläche in die Vorzugsrichtung übersteht, mit dem Heizlaserstrahl beaufschlagt wird. Es wird dadurch insbesondere eine ordnungsgemäße Trennung des Werkstücks entlang der in Vorzugsrichtung überstehenden Bearbeitungsfläche sichergestellt.
Aus den gleichen Gründen ist es günstig, wenn die Heizlaserstrahl-Vorschublinie in dem Teilbereich, bezüglich welchem die Bearbeitungsfläche in die Vorzugsrichtung übersteht, verläuft.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorzugsrichtung senkrecht zu einer Ebene orientiert ist, welche parallel zur Vorschublinie und parallel zur Dickenrichtung des zu trennenden Werkstücks verläuft. Die Dickenrichtung ist insbesondere parallel zu einer Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls und/oder des Heizlaserstrahls orientiert.
Insbesondere zeigt die Vorzugsrichtung vom Innern des Teilbereichs, bezüglich welchem die Bearbeitungsfläche in die Vorzugsrichtung übersteht, in Richtung einer bezüglich dieses Teilbereichs ausgebildeten Ausbuchtung und/oder eines bezüglich dieses Teilbereichs ausgebildeten Überstands der Bearbeitungsfläche.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die Bearbeitungsfläche durchgängig zwischen einer ersten Außenseite und einer zur ersten Außenseite in Dickenrichtung beabstandeten zweiten Außenseite des Werkstücks erstreckt. Es lässt sich dadurch insbesondere eine durchgängige Trennung des Werkstücks entlang der Bearbeitungsfläche bewirken.
Insbesondere sind an der Bearbeitungsfläche Materialmodifikationen im Material angeordnet, welche eine durchgängige und/oder unterbrechungsfreie Trennung des Materials zwischen der ersten Außenseite und der zweiten Außenseite mittels des Heizlaserstrahls ermöglichen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Heizlaserstrahl einen Durchmesser von mindestens 0,5 mm und höchstens 5 mm und insbesondere von mindestens 2 mm und höchstens 4 mm aufweist. Es lässt sich dadurch eine Trennung des Werkstücks mit einer hohen Qualität an der Trennfläche bewirken. Insbesondere ist unter dem Durchmesser des Heizlaserstrahls der Durchmesser zu verstehen, mit welchem der Heizlaserstrahl auf das Werkstück trifft und/oder welcher der Heizlaserstrahl an einer ersten Außenseite des Werkstücks aufweist.
Der zur Vorzugsrichtung antiparallele Ortsversatz beträgt beispielsweise zwischen 200 pm und 1,5 mm.
Günstig kann es sein, wenn der Bearbeitungslaserstrahl eine Wellenlänge von mindestens 300 nm und höchstens 1500 nm aufweist. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 1030 nm oder 515 nm. Dies ermöglicht die Einbringung der mittels des Bearbeitungslaserstrahls ausgebildeten Fokuselemente in eine Vielzahl von Materialien, wie z.B. Glasmaterialien und/oder Kunststoffmaterialien, welche für Laserstrahlen in diesem Wellenlängenbereich bzw. mit diesen Wellenlängen transparent sind.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl ultrakurze Laserpulse aufweist. Es lassen sich dadurch auf technisch einfache Weise mittels den Fokuselementen Materialmodifikationen ausbilden, welche eine Trennung des Materials mittels des Bearbeitungslaserstrahls ermöglichen. Beispielsweise beträgt eine Pulsdauer der Laserpulse zwischen 10 fs und 50 ns.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Heizlaserstrahl eine Wellenlänge von mindestens 9 pm und höchstens 11 pm aufweist. Dies ermöglicht eine effektive Trennung des Werkstücks durch Beaufschlagung seines Materials mit dem Heizlaserstrahl.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Heizlaserstrahl ein gepulster Laserstrahl ist. Es ist allerdings grundsätzlich auch möglich, dass der Heizlaserstrahl ein Dauerstrich-Laserstrahl ist.
Eine Leistung des Heizlaserstrahls beträgt insbesondere zwischen 20 W und 35 W.
Insbesondere beträgt eine Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher der Heizlaserstrahl entlang der Heizlaserstrahl-Vorschublinie bewegt wird, zwischen 2 m/min und 3 m/min.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das zu trennende Werkstück eine Dicke zwischen 10 pm und 10 mm und bevorzugt zwischen 100 pm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 450 pm und 650 pm aufweist. Werkstücke mit Dicken in den genannten Bereichen lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer besonders guten Trennflächenqualität trennen.
Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn eine parallel zur Vorzugsrichtung orientierte Erstreckungslänge der Bearbeitungsfläche mindestens 5 % und höchstens 70 % und bevorzugt mindestens 15 % und höchstens 35 % einer Dicke des zu trennenden Werkstücks aufweist. Die Erstreckungslänge beträgt beispielsweise zwischen 25 pm und 400 pm.
Insbesondere wird durch Trennung des Materials des Werkstücks entlang der Bearbeitungsfläche ein mit dem Teilbereich des Werkstücks, bezüglich welchem die Bearbeitungsrichtung in die Vorzugsrichtung übersteht, korrespondierendes Werkstücksegment ausgebildet. Dieses Werkstücksegment weist eine mit der Bearbeitungsfläche korrespondierende Trennfläche auf, wobei insbesondere einer Querschnittsgeometrie der Bearbeitungsfläche einer Querschnittsgeometrie der Trennfläche entspricht.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente bei Betrachtung in einem zur Vorschublinie senkrecht orientierten Querschnitt und/oder in einer zur Vorschublinie senkrecht orientierten Projektion entlang einer vorgegebenen Bearbeitungslinie angeordnet sind, welche eine Querschnittsform der Bearbeitungsfläche und/oder eine Querschnittsform einer durch Trennung des Materials entlang der Bearbeitungsfläche entstehenden Trennfläche definiert.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Anstellwinkel zwischen der Bearbeitungslinie und einer ersten Außenseite des Werkstücks, durch welche der Bearbeitungslaserstrahl zur Ausbildung der Fokuselemente in das Material des Werkstücks eingekoppelt wird, 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, dass 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.
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 trennen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Fokuselemente durch Aufteilung eines Eingangslaserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen mittels eines Strahlteilungselements und durch Fokussierung von den aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelten Teilstrahlen ausgebildet werden. Dadurch lassen sich mittels des Eingangslaserstrahls mehrere Fokuselemente ausbilden, wobei insbesondere die Eigenschaften der Fokuselemente, wie z.B. ihre geometrische Form und/oder ihr Intensitätsprofil, durch den Eingangslaserstrahl definiert werden und/oder auf dem Eingangslaserstrahl basieren.
Günstig kann es sein, wenn die 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.
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 La se rpara meter n 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 Missbildung führen oder eine Missbildung begünstigen.
Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Mede 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 Missbildung des Materials einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen Typ-III- Materialmodifikationen sind. Insbesondere lässt sich mittels dieser Materialmodifikationen eine Trennung des Materials realisieren.
Erfindungsgemäß wird ein eingangs genanntes Lasersystem zum Trennen eines Werkstücks bereitgestellt, umfassend eine Laserstrahlquelle, ein Strahlteilungselement und eine Fokussieroptik, welche gemeinsam dazu eingerichtet sind, einen Bearbeitungslaserstrahl bereitzustellen, der mehrere Fokuselemente zur Einbringung in ein Material des Werkstücks ausbildet, eine Vorschubeinrichtung zur Durchführung einer Melativbewegung der Fokuselemente bezüglich des Materials des Werkstücks parallel zu einer vorgegebenen Vorschublinie, um im Material entlang einer Bearbeitungsfläche angeordnete Materialmodifikationen auszubilden, wobei es vorgesehen ist, dass die Bearbeitungsfläche bezüglich eines Teilbereichs des Werkstücks in eine Vorzugsrichtung übersteht, eine weitere Laserstrahlquelle zur Bereitstellung eines Heizlaserstrahls, wobei die Vorschubeinrichtung dazu eingerichtet ist, den Heizlaserstrahl entlang einer Heizlaserstrahl-Vorschublinie relativ zu dem Material zu bewegen, um das Material entlang der Bearbeitungsfläche zu trennen, wobei die Heizlaserstrahl-Vorschublinie parallel zur Vorschublinie verläuft und zur Vorschublinie mit einem zur Vorzugsrichtung antiparallelen Ortsversatz beabstandet ist und wobei der Ortsversatz mindestens 10% und höchstens 50% eines Durchmessers des Heizlaserstrahls beträgt.
Insbesondere weist das erfindungsgemäße Lasersystem ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lasersystems wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems ausführbar oder das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems ausgeführt.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Lasersystem zum Trennen eines Werkstücks geeignet, welches ein für den Bearbeitungslaserstrahl transparentes Material und/oder ein für den Heizlaserstrahl opakes Material aufweist.
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.
Unter einem transparenten Material ist ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie des Bearbeitungslaserstrahls transmittiert wird. Wird der Bearbeitungslaserstrahl beispielsweise auf eine erste Außenseite des Werkstücks gerichtet, werden an einer zur ersten Außenseite in Strahlausbreitungsrichtung und/oder Dickenrichtung beabstandeten zweiten Außenseite des Werkstücks mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % der Laserenergie des Bearbeitungslaserstrahls transmittiert.
Unter einem opaken und/oder nichttransparenten Material ist ein Material zu verstehen, durch welches höchstens 10 % und insbesondere höchstens 5 % und insbesondere höchstens 3 % einer Laserenergie des Heizlaserstrahls transmittiert wird. Wird der Heizlaserstrahl beispielsweise auf eine erste Außenseite des Werkstücks gerichtet, werden an einer zur ersten Außenseite in Strahlausbreitungsrichtung und/oder Dickenrichtung beabstandeten zweiten Außenseite des Werkstücks höchstens 10 % und insbesondere höchstens 5 % und insbesondere höchstens 3 % der Laserenergie des Bearbeitungslaserstrahls transmittiert.
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. Es ist allerdings auch möglich, dass die Fokuselemente ein nichtbeugendes und insbesondere ein Bessel-artiges Strahlprofil aufweisen.
Insbesondere weist der Bearbeitungslaserstrahl ein beugendes Strahlprofil und/oder ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Insbesondere weisen zueinander benachbarte Fokuselemente einen Abstand von mindestens 3 |jm und/oder höchstens 70 |jm auf, wobei eine diesem Abstand zugeordnete Abstandsrichtung senkrecht zur Vorschublinie der Fokuselemente und/oder zur Vorschubrichtung orientiert ist.
Insbesondere weisen zueinander benachbarte Materialmodifikationen, welche an der Bearbeitungsfläche angeordnet sind, einen Abstand zwischen 3 |jm und 70 |jm auf, wobei eine diesem Abstand zugeordnete Abstandsrichtung senkrecht zur Vorschublinie und/oder zur Vorschubrichtung der Fokuselemente orientiert ist.
Insbesondere weisen zueinander benachbarte Materialmodifikationen, welche an der Bearbeitungsfläche angeordnet sind, einen Abstand zwischen 1 pm und 30 pm auf, wobei eine diesem Abstand zugeordnete Abstandsrichtung parallel zur Vorschublinie und/oder zur Vorschubrichtung der Fokuselemente orientiert ist.
Insbesondere weisen zueinander benachbarte Materialmodifikationen, welche an der Bearbeitungsfläche angeordnet sind, einen derartigen Abstand auf, dass eine Missbildung zwischen benachbarten Materialmodifikationen erfolgt und/oder dass eine Trennung des Materials an der Bearbeitungsfläche mittels des Heizlaserstrahls ermöglicht wird.
Insbesondere weist der Bearbeitungslaserstrahl, eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Bearbeitungslaserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 pJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl 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 eines Lasersystems zum Trennen eines Werkstücks;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Materials des Werkstücks, in welchem das Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen mit mehreren Fokuselementen beaufschlagt wird, wobei die Fokuselemente entlang einer Bearbeitungslinie angeordnet sind, welche unterschiedliche geradlinige Abschnitte aufweist;
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. 4a 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. 4b eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit einem Abstand von ca. 8,0 pm beabstandet sind; Fig. 5a eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstücks mit daran ausgebildeten Materialmodifikationen, welche sich entlang einer Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche erstecken;
Fig. 5b eine schematische perspektivische Darstellung von zwei Werkstücksegmenten, welche durch Trennung des Werkstücks gemäß Fig. 5a entlang der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche gebildet sind; und
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Materials des Werkstücks, in welchem das Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen mit mehreren Fokuselementen beaufschlagt wird, wobei die Fokuselemente entlang einer bogenförmigen Bearbeitungslinie positioniert sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die gezeigten Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
Ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems zum Trennen eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels des Lasersystems 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 das Werkstück 104 in zwei Werkstücksegmente teilen lässt oder sich ein Werkstücksegment von dem Werkstück 104 abtrennen lässt.
Insbesondere können mittels des Lasersystems 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. Das Lasersystem 100 umfasst ein Strahlteilungselement 106, in welches ein insbesondere kollimierter Eingangslaserstrahl 108 eingekoppelt wird. Dieser Eingangslaserstrahl 108 wird mittels einer Laserstrahlquelle 110 des Lasersystems 100 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 110 ausgebildeter Laserstrahl austritt. Dieser Laserstrahl wird dann beispielsweise mittels einer Kollimationsoptik (nicht gezeigt) der Laserstrahlquelle 110 kollimiert, um den Eingangslaserstrahl 108 auszubilden.
Unter dem Eingangslaserstrahl 108 ist ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl insbesondere parallel verlaufender Strahlen umfasst. Der Eingangslaserstrahl 108 weist einen transversalen Strahlquerschnitt 112 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher der Eingangslaserstrahl 108 auf das Strahlteilungselement 106 trifft.
Insbesondere weist der auf das Strahlteilungselement 106 treffende Eingangslaserstrahl 108 zumindest näherungsweise ebene Wellenfronten 114 auf.
Mittels des Strahlteilungselements 106 wird der Eingangslaserstrahl 108 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündeln aufgeteilt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind zwei voneinander verschiedene Teilstrahlen 116a und 116b bzw. Teilstrahlenbündel angedeutet.
Insbesondere ist das Strahlteilungselement 106 als Fernfeldstrahlformungselement ausgebildet. Die aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlenbündel weisen insbesondere ein divergentes Strahlprofil auf und/oder breiten sich kugelwellenartig aus.
Zur Fokussierung der aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 umfasst das Lasersystem 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.
Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise 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, wobei eine Summe der mittels der Fokussieroptik 118 fokussierten Teilstrahlen 116 als Bearbeitungslaserstrahl 119 bezeichnet wird. Durch Fokussierung der Teilstrahlen werden mehrere Fokuselemente 120 ausgebildet werden, welche jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, dass sich zueinander benachbarte Fokuselemente 120 abschnittsweise räumlich überlappen.
Unter dem Bearbeitungslaserstrahl 119 sind somit die aus der Bearbeitungsoptik 118 austretenden Teilstrahlen zu verstehen, welche die Fokuselemente 120 ausbilden.
Insbesondere sind einem bestimmten Fokuselement 120 jeweils mehrere Teilstrahlen 116 zugeordnet, d.h. ein bestimmtes Fokuselement 120 wird aus mehreren auf die Fokussieroptik 118 treffenden Teilstrahlen 116 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 kann der Eingangslaserstrahl 108 ein gaußförmiges Strahlprofil aufweisen. Durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 würde in diesem Fall ein Fokuselement ausgebildet werden, welches eine Fokusverteilung 121 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 121 mit Bessel-artiger Form und/oder Bessel-artigem Intensitätsprofil aufweist.
Den durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels des Strahlteilungselements 106 ausgebildeten Teilstrahlen 116 bzw. 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. 4a und 4b).
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 das Lasersystem 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 vorliegend eine Haupt- Strahlausbreitungsrichtung und/oder eine mittlere Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls bzw. Strahlenbündels zu verstehen. Die Strahlausbreitungsrichtung entspricht insbesondere einer Richtung eines dem Laserstrahl bzw.
Strahlenbündel 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 diffraktives optisches Element und/oder Axiconelement und/oder ein Axicon-ähnliches Element.
Der in das Strahlteilungselement 106 eingekoppelte Eingangslaserstrahl 108 weist dann das quasi-nichtbeugende bzw. Bessel-artige Strahlprofil auf. Entsprechend weisen dann die Fokuselemente 120 ebenfalls dieses quasi- nichtbeugende bzw. 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 des Materials 102 des Werkstücks 104 angeordnet ist (Fig. 2). Insbesondere ist unter der örtlichen Position eines Fokuselements 120 die Position seines räumlichen Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts zu verstehen. Weiter ist jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 eine bestimmte Intensität I zugeordnet.
Mittels des Strahlteilungselements 106 lassen somit sich die örtliche Position xo, yo, zo und 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 zueinander benachbarten Fokuselementen 120 komponentenweise in drei Raumrichtungen und/oder Raumdimensionen einstellen (bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel in x-, y- und z-Richtung).
Der Abstand d zwischen benachbarten Fokuselementen 120 beträgt beispielsweise zwischen 3 pm und 70 pm.
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 DE 10 2020 207 715 Al und 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 das Lasersystem 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 127 mittels einer Werkstückhalterung realisiert sein, welche dazu eingerichtet ist, das an dieser angeordnete Werkstück 104 bezüglich den Fokuselementen 120 zu bewegen. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Fokuselemente 120 bezüglich des Materials 102 bewegt werden. Hierzu werden beispielsweise das Lasersystem 100 oder Teile des Lasersystems 100 bezüglich des Materials 102 bewegt.
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. Die zweite Außenseite 132 ist parallel oder quer zur ersten Außenseite 130 orientiert.
Das Material 102 des Werkstücks 104 weist beispielsweise bezüglich der Dickenrichtung 134 eine zumindest näherungsweise konstante Dicke D auf, wobei die Dicke D beispielsweise 550 pm beträgt.
Unter der Dickenrichtung 134 ist eine Abstandsrichtung zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 zu verstehen. 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 derart angeordnet, dass diese entlang einer definierten Bearbeitungslinie 136 positioniert sind (vgl. Fig. 2), wobei die Bearbeitungslinie 136 in einer zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Ebene liegt. Die Bearbeitungslinie 136 korrespondiert mit einer Soll- Geometrie, mit welcher eine Trennung des Materials 102 durchgeführt werden soll.
Die jeweiligen Abstände d und Intensitäten I der entlang der Bearbeitungslinie 136 angeordneten Fokuselemente 120 sind so gewählt, dass durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 bzw. Bewegung der Fokuselemente 120 durch das Material 102 Materialmodifikationen 138 ausgebildet werden (Fig. 3), welche eine Trennung des Materials entlang dieser Bearbeitungslinie 136 bzw. entlang einer mit dieser Bearbeitungslinie 136 korrespondierenden Bearbeitungsfläche ermöglichen.
In den Fig. 2 und 3 sind die Fokuselemente 120 bzw. die Materialmodifikationen 138 jeweils in einem zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Querschnitt durch das Werkstück 104 gezeigt.
Es ist vorgesehen, dass sich die Bearbeitungslinie 136 zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 durchgängig und/oder unterbrechungsfrei erstreckt. Entlang der Bearbeitungslinie 136 sind durchgängig und/oder unterbrechungsfrei Fokuselemente 120 angeordnet, um entlang der Bearbeitungslinie 136 angeordnete Materialmodifikationen 138 zu erzeugen, die eine durchgängige Trennung des Materials 102 zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 ermöglichen.
Die Bearbeitungslinie 136 kann mehrere unterschiedliche Abschnitte 140 aufweisen. 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.
Die Bearbeitungslinie 136 und/oder unterschiedliche Abschnitte 140 der Bearbeitungslinie 136 können beispielsweise als Gerade oder Kurve ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Bearbeitungslinie bogenförmig oder kreisbogenförmig ausgebildet sein.
Der jeweilige Abstand d 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 136 jeweils Fokuselemente 120 mit unterschiedlichen Abständen d zugeordnet sind. Insbesondere sind dann die jeweiligen Abstände d der einem bestimmten Abschnitt 140 zugeordneten Fokuselemente 120 zumindest näherungsweise identisch.
Insbesondere ist eine parallel zur Dickenrichtung 134 des Materials 102 und/oder senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientierte Abstandskomponente dz des Abstands d 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 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 Abstandskomponente dx des Abstands d auf, welche senkrecht zur Vorschubrichtung 126 und senkrecht zur Abstandskomponente dz orientiert ist.
Die Abstandskomponente dz und die Abstandskomponente dx 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°.
Es kann vorgesehen sein, dass die zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 alle in einer Ebene liegen, welche senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientiert ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Situation wäre dann beispielsweise die örtliche Position zo bezüglich der z-Richtung zu einem bestimmten Zeitpunkt bei allen Fokuselementen 120 gleich.
Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, dass zumindest eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente parallel zur Vorschubrichtung 126 beabstandet positioniert ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Situation wären dann beispielsweise Fokuselemente 120 vorhanden, deren örtliche Position zo bezüglich der z- Richtung unterschiedlich ist. In diesem Fall ist die Bearbeitungslinie 136 bzw. die Anordnung der Fokuselemente 120 entlang der Bearbeitungslinie 136 durch Betrachtung der Fokuselemente 120 in einer zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Projektionsebene definiert.
Insbesondere liegen alle zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 zu einem bestimmten Zeitpunkt gleichzeitig vor und werden insbesondere nicht zeitlich nacheinander ausgebildet. 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 138 beispielsweise als Typ-III-Modifikationen ausgebildet werden, welche mit einer spontanen Bildung von Rissen 137 im Material 102 des Werkstücks 104 einhergehen. Insbesondere werden Risse 137 zwischen zueinander benachbarten Materialmodifikationen 138 ausgebildet.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, durch geeignete Wahl der Bearbeitungsparameter die Materialmodifikationen 138 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 138 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 138 der jeweilige Abstand d zwischen den Fokuselementen 120 so gering gewählt, dass es bei Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 zu dieser Wärmeakkumulation kommt.
Fig. 4a zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d bei diesen Fokuselementen 120 ca. 17,5 pm beträgt. In der gezeigten Graustufendarstellung stehen hellere Bereiche für höhere Intensitäten.
Fig. 4b zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d ca. 8,0 pm beträgt.
Es ist vorgesehen, dass nach erfolgter Ausbildung der Materialmodifikationen 138 das Material 102 zu dessen Trennung mit einem Heizlaserstrahl 142 beaufschlagt wird (siehe Fig. 3 und 6). Zur Bereitstellung des Heizlaserstrahls 142 umfasst das Lasersystem 100 eine weitere Laserstrahlquelle 144, welche beispielsweise als CO2-Laser ausgebildet ist oder einen CO2-Laser umfasst.
Eine Wellenlänge des Heizlaserstrahls 142 beträgt beispielsweise zwischen 9 pm und 11 pm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 10,6 pm. Eine Leistung des Heizlaserstrahls 142 liegt dann beispielsweise zwischen 20 W und 35 W.
Insbesondere ist der Heizlaserstrahl 142 ein gepulster Laserstrahl, wobei eine Frequenz zwischen 10 kHz und 15 kHz, beispielsweise 12,5 kHz beträgt. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der Heizlaserstrahl 142 ein Dauerstrich- Laserstrahl (cw- Laserstrahl) ist.
Unter dem Heizlaserstrahl 142 ist ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl von Strahlen umfasst. Der Heizlaserstrahl 142 weist einen transversalen Strahlquerschnitt 146 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher er auf die erste Außenseite 130 des Werkstücks 104 trifft.
Insbesondere ist der auf die erste Außenseite 130 treffende Heizlaserstrahl 142 divergent oder kollimiert.
Eine Längsmittelachse 148 des Heizlaserstrahls 142 ist vorzugsweise senkrecht zur ersten Außenseite 130 orientiert. Unter der Längsmittelachse 148 ist insbesondere eine Strahlachse und/oder Symmetrieachse des Heizlaserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung zu verstehen. Die Längsmittelachse 148 ist parallel zur Strahlausbreitungsrichtung des Heizlaserstrahls 142 orientiert.
Ein Durchmesser di (angedeutet in Fig. 6) des Heizlaserstrahls 142 beträgt vorzugsweise zwischen 2 mm und 4 mm. Beispielsweise beträgt der Durchmesser di 2,7 mm. Der Durchmesser di des Heizlaserstrahls 142 ist hierbei über die Methode der zweiten Momente nach ISO 11146-3 definiert.
Die Längsmittelachse 148 des Heizlaserstrahls 142 weist zu einer der ersten Außenseite 130 nächstliegenden Materialmodifikation 138a einen Ortsversatz Ad auf, welcher parallel zur ersten Außenseite 130 und/oder senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientiert ist. Bei den in den Fig. 3 und 6 gezeigten Beispielen ist der Ortsversatz Ad parallel zur x-Richtung orientiert.
Die Laserbearbeitung des Werkstücks 104 mittels des Lasersystems 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 120 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. 5a). Wie beispielsweise in Fig. 5a gezeigt, 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 Vorschublinie 150 wird eine mit der Bearbeitungslinie 136 korrespondierende Bearbeitungsfläche 152 ausgebildet, an welcher die Materialmodifikationen 138 angeordnet sind. Es ergibt sich dadurch eine flächige Ausbildung und/oder Anordnung der Materialmodifikationen 138 entlang der Bearbeitungsfläche 152.
Die Vorschublinie 150 ist durch die Bewegung eines der ersten Außenseite 130 nächstliegenden Fokuselements 120a relativ zum Material 102 definiert (vgl. Fig.
2) und entspricht der Trajektorie dieses Fokuselements 120a relativ zum Material 102. Darunter, dass Fokuselemente 120 entlang der Vorschublinie 150 bewegt werden, ist zu verstehen, dass jedes Fokuselement 120 entlang einer zur Vorschublinie 150 parallelen Trajektorie bewegt wird (und das Fokuselement 120a entlang einer zur Vorschublinie 150 identischen Trajektorie). Die Vorschublinie 150 ist somit als Referenzlinie und/oder Referenztrajektorie für alle Fokuselemente 120 zu verstehen.
Die Vorschubrichtung 126 ist stets tangential zur Vorschublinie 150 orientiert. Diese ist nicht notwendigerweise konstant, wie z.B. in Fig. 5a gezeigt, sondern kann grundsätzlich variieren. Die Vorschublinie 150 kann somit grundsätzlich geradlinige und gekrümmte Abschnitte aufweisen. Im Fall von gekrümmten Abschnitten wird die Vorschubrichtung 126 während der Laserbearbeitung variiert und die Bearbeitungslinie 136 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 von Teilen des Lasersystems 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 Bearbeitungsfläche 152 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 haben insbesondere eine Verringerung einer Festigkeit des Materials 102 zur Folge. Es lässt sich dadurch das Material 102 nach Ausbildung der Materialmodifikationen 136 an der Bearbeitungsfläche 152 in zwei voneinander verschiedene Werkstücksegmente 154a, 154b trennen (Fig. 5b).
Das Werkstücksegment 154b ist bei dem gezeigten Beispiel ein Gutstücksegment mit einer Trennfläche 156, welche eine mit der Form der Bearbeitungslinie 136 korrespondierende Form aufweist. Das Werkstücksegment 154a ist in diesem Fall ein Restwerkstücksegment und/oder ein Verschnittsegment.
Die Trennung des Werkstücks 104 wird nach erfolgter Ausbildung der an der Bearbeitungsfläche 152 angeordneten Materialmodifikationen 138 mittels des Heizlaserstrahls 142 durchgeführt. Hierzu wird der Heizlaserstrahl 142 auf die erste Außenseite 130 gerichtet und relativ zu dem Werkstück 104 entlang einer Heizlaserstrahl-Vorschublinie 158 bewegt, welche parallel zur Vorschublinie 150 orientiert ist, entlang welcher die Fokuselemente 120 zuvor relativ zu dem Werkstück 104 bewegt wurden. Die Heizlaserstrahl-Vorschublinie 158 verläuft zur Vorschublinie 150 beabstandet mit dem Ortsversatz Ad.
Die Relativbewegung des Heizlaserstrahls 142 zu dem Material 102 des Werkstücks 104 wird beispielsweise mittels der Vorschubeinrichtung 127 realisiert, welche hierzu entsprechend eingerichtet sein kann.
Die Heizlaserstrahl-Vorschublinie 158 korrespondiert mit der Position der Längsmittelachse 148 des Heizlaserstrahls 142 an der ersten Oberseite 130. Folglich entspricht die Heizlaserstrahl-Vorschublinie 158 einer Trajektorie der Längsmittelachse 148 des an der ersten Oberseite 130 bewegten Heizlaserstrahls 142.
Eine Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher der Heizlaserstrahl 142 entlang der Heizlaserstrahl-Vorschublinie 158 bewegt wird, beträgt beispielsweise 2,4 m/min.
Es ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsfläche 152 bezüglich eines Teilbereichs 162 des Werkstücks 104 nach außen übersteht und/oder nach außen gewölbt ist. Bei dem in Fig. 5a und 5b gezeigten Beispiel korrespondiert der Teilbereich 162 mit dem nach erfolgter Trennung ausgebildeten Werkstücksegment 154b. Durch die Wölbung der Bearbeitungsfläche 152 ergibt sich nach erfolgter Trennung am Werkstücksegment 154 eine Ausbuchtung 164 und/oder ein Überstand nach außen.
Der Bearbeitungsfläche 152 (und der resultierenden Trennfläche 156) ist demnach eine Vorzugsrichtung 160 zugeordnet (vgl. Fig. 5a und 6), welche vom Innern des Werkstücks 104 in Richtung der Wölbung der Bearbeitungsfläche 152 und/oder der Ausbuchtung 164 zeigt. Die Vorzugsrichtung 160 ist senkrecht zu einer Ebene 166 orientiert, welche parallel zur Dickenrichtung 134 und parallel zur Vorschublinie 150 verläuft. Die Vorzugsrichtung 160 ergibt sich aus der Richtung eines parallel zur Normalen der Ebene 166 orientierten Abstands do zwischen der zur ersten Außenseite 130 nächstliegenden Materialmodifikation 138a und derjenigen Materialmodifikation 138b, welche zur Materialmodifikation 138a parallel zur Normalen den größten Abstand aufweist (vgl. Fig. 6). Hierbei werden die Materialmodifikationen 138 in einer zur Vorschubrichtung 126 bzw. zur Vorschublinie 150 senkrecht orientierten Querschnittsebene betrachtet.
Die Vorzugsrichtung 160 entspricht somit einer parallel zur Normalen der Ebene 166 orientierten Richtungskomponente eines Streckenvektors von der Materialmodifikation 138a zur Materialmodifikation 138b.
Der Abstand do zwischen den Materialmodifikationen 138a und 138b entspricht einer Erstreckungslänge der Bearbeitungslinie 136 und/oder der Bearbeitungsfläche 152 und/oder der Trennfläche 156 in Vorzugsrichtung 160.
Insbesondere kann die zur ersten Außenseite 130 nächstliegende Materialmodifikation 138a an die erste Außenseite 130 angrenzen und/oder die erste Außenseite 130 durchstoßen.
Eine Richtung des Ortsversatzes Ad ist entgegengesetzt und/oder antiparallel zur Vorzugsrichtung 160 orientiert.
Durch die thermische Beaufschlagung des Materials 102 mittels des Heizlaserstrahls 142 wird das Material 102 entlang der Bearbeitungsfläche 152 getrennt, sodass beispielsweise die in Fig. 5b gezeigten Werkstücksegmente 154a und 154b resultieren.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist die Bearbeitungslinie 136 bogenförmig und insbesondere kreisbogenförmig ausgebildet, sodass sich eine entsprechend bogenförmig nach außen gewölbte Bearbeitungsfläche 152 bzw. Trennfläche 156 ergibt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 beträgt der Abstand do zwischen den Materialmodifikationen 138a und 138b beispielsweise 140 pm. Bei einem Durchmesser di des Heizlaserstrahls von 2,7 mm beträgt der Ortsversatz Ad dann beispielsweise 1.000 pm.
Das Material 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise Aluminiumsilikatglas. Beispielsweise weist dann zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ- III-Modifikationen ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente 120 gebildet sind, eine Wellenlänge von 1030 nm und eine Pulsdauer von 3 ps auf. Weiter beträgt dann eine der Fokussieroptik 118 zugeordnete numerische Apertur 0,4 und eine einem einzigen Fokuselement 120 zugeordnete Pulsenergie 50 nJ bis 200 nJ.
Bezugszeichenliste a Anstellwinkel d Abstand dx effektive Abstandskomponente dz effektive Abstandskomponente do Abstand / Erstreckungslänge di Durchmesser
Ad Ortsversatz
D Dicke
I Intensität xo Position in x-Richtung yo Position in y-Richtung
ZO Position in z-Richtung
100 Lasersystem
102 Material
104 Werkstück
106 Strahlteilungselement
108 Eingangslaserstrahl
110 Laserstrahlquelle
112 Strahlquerschnitt
114 Wellenfront
116 Teilstrahlen
116a Teilstrahl
116b Teilstrahl
118 Fokussieroptik
119 Bearbeitungslaserstrahl
120 Fokuselement
120a Fokuselement
121 Fokusverteilung
122 Strahlformungseinrichtung
124 Strahlausbreitungsrichtung
126 Vorschubrichtung
127 Vorschubeinrichtung erste Außenseite zweite Außenseite Dickenrichtung Bearbeitungslinie Riss
Materialmodifikation a Materialmodifikation b Materialmodifikation
Abschnitt a erster Abschnitt b zweiter Abschnitt c dritter Abschnitt
Heizlaserstrahl weitere Laserstrahlquelle
Strahlquerschnitt
Längsmittelachse
Vorschublinie
Bearbeitungsfläche a Werkstücksegment b Werkstücksegment
Trennfläche
Heizlaserstrahl-Vorschublinie
Vorzugsrichtung
Teilbereich
Ausbuchtung
Ebene

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (104), bei dem
- ein gepulster Bearbeitungslaserstrahl (119) bereitgestellt wird, welcher mehrere Fokuselemente (120) ausbildet, wobei das Werkstück (104) ein für den Bearbeitungslaserstrahl (119) transparentes Material (102) aufweist,
- die Fokuselemente (120) in das Material (102) des Werkstücks (104) eingebracht werden und relativ zu dem Material (102) parallel zu einer vorgegebenen Vorschublinie (150) bewegt werden, wobei durch Relativbewegung der in das Material (102) eingebrachten Fokuselemente (120) entlang einer Bearbeitungsfläche (152) angeordnete Materialmodifikationen (138) im Material (102) ausgebildet werden und wobei die Bearbeitungsfläche (152) bezüglich eines Teilbereichs (162) des Werkstücks (104) in eine Vorzugsrichtung (160) übersteht, und
- das Material (102) mit einem Heizlaserstrahl (142) beaufschlagt wird, wobei das Material (102) des Werkstücks (104) für den Heizlaserstrahl (142) opak ist, wobei
- der Heizlaserstrahl (142) entlang einer Heizlaserstrahl-Vorschublinie (158) relativ zu dem Material (102) bewegt wird, wodurch das Material (102) entlang der Bearbeitungsfläche (152) getrennt wird, wobei
- die Heizlaserstrahl-Vorschublinie (158) parallel zur Vorschublinie (150) verläuft und zur Vorschublinie (150) mit einem zur Vorzugsrichtung (160) antiparallelen Ortsversatz (Ad) beabstandet ist und wobei der Ortsversatz (Ad) mindestens 10% und höchstens 50% eines Durchmessers (di) des Heizlaserstrahls beträgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ortsversatz (Ad) mindestens 15 % und insbesondere mindestens 20 % und insbesondere mindestens 25 % des Durchmessers (di) des Heizlaserstrahls beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungslaserstrahl (119) und/oder der Heizlaserstrahl (142) durch eine erste Außenseite (130) des Werkstücks (104) in dessen Material (102) eingekoppelt werden, wobei eine Dickenrichtung (134) des Werkstücks (104) quer und insbesondere senkrecht zur ersten Außenseite (130) orientiert ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (162), bezüglich welchem die Bearbeitungsfläche (152) in die Vorzugsrichtung (160) übersteht, mit dem Heizlaserstrahl (142) beaufschlagt wird, und/oder dass die Heizlaserstrahl- Vorschublinie (158) in dem Teilbereich (162), bezüglich welchem die Bearbeitungsfläche (152) in die Vorzugsrichtung (160) übersteht, verläuft. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung (160) senkrecht zu einer Ebene (166) orientiert ist, welche parallel zur Vorschublinie (150) und parallel zur Dickenrichtung (134) des zu trennenden Werkstücks (104) verläuft. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bearbeitungsfläche (152) durchgängig zwischen einer ersten Außenseite (130) und einer zur ersten Außenseite (130) in Dickenrichtung (134) beabstandeten zweiten Außenseite (132) des Werkstücks (104) erstreckt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizlaserstrahl (142) einen Durchmesser (di) von mindestens 0,5 mm und höchstens 5 mm und insbesondere von mindestens 2 mm und höchstens 4 mm aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungslaserstrahl (119) eine Wellenlänge von mindestens 300 nm und höchstens 1500 nm aufweist, und/oder dass der Bearbeitungslaserstrahl (119) ultrakurze Laserpulse aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizlaserstrahl (142) eine Wellenlänge von mindestens 9 pm und höchstens 11 pm aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu trennende Werkstück (104) eine Dicke (D) zwischen 10 pm und 10 mm und bevorzugt zwischen 100 pm und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 450 pm und 650 pm aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallel zur Vorzugsrichtung (160) orientierte Erstreckungslänge (do) der Bearbeitungsfläche mindestens 5 % und höchstens 70 % und bevorzugt mindestens 15 % und höchstens 35 % einer Dicke (D) des zu trennenden Werkstücks (104) aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuselemente (120) bei Betrachtung in einem zur Vorschublinie (150) senkrecht orientierten Querschnitt und/oder in einer zur Vorschublinie (150) senkrecht orientierten Projektion entlang einer vorgegebenen Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, welche eine Querschnittsform der Bearbeitungsfläche (152) und/oder eine Querschnittsform einer durch Trennung des Materials (102) entlang der Bearbeitungsfläche (136) entstehenden Trennfläche (156) definiert. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuselemente (120) durch Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (108) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116) mittels eines Strahlteilungselements (106) und durch Fokussierung von den aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelten Teilstrahlen (116) ausgebildet werden, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die 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 (138) Typ-III- Materialmodifikationen sind. Lasersystem zum Trennen eines Werkstücks (104), umfassend
- eine Laserstrahlquelle (110), ein Strahlteilungselement (106) und eine Fokussieroptik (118), welche gemeinsam dazu eingerichtet sind, einen Bearbeitungslaserstrahl (119) bereitzustellen, der mehrere Fokuselemente (120) zur Einbringung in ein Material (102) des Werkstücks (104) ausbildet,
- eine Vorschubeinrichtung (127) zur Durchführung einer Relativbewegung der Fokuselemente (120) bezüglich des Materials (102) des Werkstücks (104) parallel zu einer vorgegebenen Vorschublinie (150), um im Material (102) entlang einer Bearbeitungsfläche (152) angeordnete Materialmodifikationen (138) auszubilden, wobei es vorgesehen ist, dass die Bearbeitungsfläche (152) bezüglich eines Teilbereichs (162) des Werkstücks (104) in eine Vorzugsrichtung (160) übersteht,
- eine weitere Laserstrahlquelle (144) zur Bereitstellung eines Heizlaserstrahls (142), wobei die Vorschubeinrichtung (127) dazu eingerichtet ist, den Heizlaserstrahl (142) entlang einer Heizlaserstrahl- Vorschublinie (158) relativ zu dem Material (102) zu bewegen, um das Material (102) entlang der Bearbeitungsfläche (152) zu trennen, wobei
- die Heizlaserstrahl-Vorschublinie (158) parallel zur Vorschublinie (150) verläuft und zur Vorschublinie (150) mit einem zur Vorzugsrichtung (160) antiparallelen Ortsversatz (Ad) beabstandet ist und wobei der Ortsversatz (Ad) mindestens 10% und höchstens 50% eines Durchmessers (di) des Heizlaserstrahls beträgt.
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