WO2024160730A1 - Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks - Google Patents

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WO2024160730A1
WO2024160730A1 PCT/EP2024/052074 EP2024052074W WO2024160730A1 WO 2024160730 A1 WO2024160730 A1 WO 2024160730A1 EP 2024052074 W EP2024052074 W EP 2024052074W WO 2024160730 A1 WO2024160730 A1 WO 2024160730A1
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laser
laser beam
workpiece
designed
lens
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PCT/EP2024/052074
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English (en)
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Daniel FLAMM
Jonas Kleiner
Jonas Mayer
Malte Kumkar
Daniel Grossmann
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Trumpf Laser Gmbh
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for machining a workpiece.
  • dimples are suitable for functionalizing the surfaces of components, whereby optical properties and tribological properties in particular can be influenced.
  • regular structures when processing a material with a pulsed laser, regular structures often arise, especially regularly arranged dimples, for example due to a beat between the repetition rate of the laser system and other process parameters such as the feed rate and the number of repetitions of material passes.
  • Such regular structures can, for example, lead to interference effects when viewed, which disturb the optical impression of the processed material.
  • EP3735332B1 discloses an optical arrangement for direct laser interference structuring, in which a laser beam emitted by a laser beam source is split into two partial beams and these partial beams are directed onto the surface of a component in an interfering manner using a focusing optical element to form a structure.
  • a device for processing a workpiece, in particular for imparting an anti-glare functionalization, by means of laser pulses of a laser comprising a laser, in particular a short-pulse laser or an ultra-short-pulse laser, which is designed to provide a laser beam with laser pulses, at least one diffusing disk which is designed to scatter the laser beam, at least one focusing optic which is designed to focus the laser beam into a focus zone in the focal plane on the workpiece, wherein the workpiece is exposed to the laser beam and is thereby processed.
  • the diffusing disk is designed to impart a locally randomized intensity distribution to the laser beam in the focal plane.
  • the material of the workpiece can be, for example, a polymer or a plastic.
  • the material can also be a semiconductor, for example an elementary semiconductor such as silicon or germanium, or a III-V semiconductor such as gallium arsenide, or an organic semiconductor or any other type of semiconductor.
  • the material can be a silicon wafer.
  • the material can comprise any metal, for example aluminum, magnesium, titanium, iron, or a steel alloy.
  • the material can be a layer system, with each layer being selected from the group of any metals, polymers, plastics or semiconductors.
  • the material can also be a glass, for example sapphire or quartz glass.
  • the laser provides the laser pulses of the laser beam, whereby the individual laser pulses form the laser beam in the beam propagation direction.
  • the pulse duration of the laser pulses can be between 300fs and 100ps.
  • the wavelength of the laser pulses can be between 300nm and 3000nm, preferably between 900nm and 2200nm.
  • the laser can also provide laser bursts, with each burst comprising the emission of several laser pulses.
  • the emission of the laser pulses can follow one another very closely for a certain time interval, at intervals of a few picoseconds to nanoseconds.
  • the laser bursts can be GHz bursts in particular, where the sequence of the successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
  • a burst can comprise between 2 and 20 laser pulses, preferably between 2 and 10 laser pulses, whereby the time interval between the laser pulses can be between 10ns and 50ns.
  • a burst can also comprise between 30 and 300 laser pulses, whereby the time interval between the laser pulses can be between 100ps and 1000ps.
  • the repetition rate of the laser pulses and/or the laser bursts can be greater than 1 kHz, preferably greater than 10 kHz.
  • the repetition rate can also be 100 kHz or more. Accordingly, for example, more than 1000 pulses per second or more than 10,000 pulses per second are emitted by the laser.
  • the pulse energy of the laser pulses can be greater than 1 pJ, for example 2 pJ.
  • the diameter of the laser beam provided by the laser can be larger than 0.1 mm, for example 1 mm or 5 mm.
  • the laser pulses are introduced into the material after passing through the further device, whereby the energy of the laser beam is at least partially absorbed in the material, for example by nonlinear interactions, in particular by multiphoton processes.
  • the incoming laser beam of the laser first passes through the diffusion disk.
  • a diffusion disk is designed to scatter the laser beam.
  • this can mean that the laser beam is converted into a large number of partial laser beams, with each partial laser beam having its own propagation direction and/or its own intensity and/or its own phase front.
  • the beam propagation direction of the partial laser beams can differ from that of the incoming laser beam.
  • the multitude of partial laser beams are superimposed in a focus zone in the focal plane by a focusing optic, for example a 2f optic.
  • the focus of the scattered laser beam can be on the workpiece in the direction of beam propagation.
  • the focus is on the workpiece if the focal plane coincides exactly with the surface of the workpiece, or is above or below the surface in the direction of beam propagation, while the surface is still being processed.
  • the focus position can be within ten times the Rayleigh length from the surface, where the Rayleigh length is the distance along the optical axis that a laser beam needs until its cross-sectional area doubles, starting from the beam waist or the focus.
  • the term “focus” can generally be understood as a targeted increase in intensity, whereby the laser energy converges into a “focus zone”.
  • the term "focus” is used below regardless of the beam shape actually used and the methods for achieving an intensity increase.
  • Focusing can also influence the location of the focus zone along the beam propagation direction.
  • the focus zone can be point-shaped and have a Gaussian intensity cross-section, as provided by a Gaussian laser beam.
  • the focus zone can also be linear or rectangular, or have the shape of an Airy distribution.
  • other more complex beam shapes are also possible, the focus position of which extends in three dimensions, such as a multi-spot profile of Gaussian laser beams and/or non-Gaussian intensity distributions.
  • the material heats up according to the intensity distribution of the laser in the focus zone and/or changes into a temporary plasma state due to the electromagnetic interaction of the laser with the material.
  • non-linear absorption processes can also be used, which are made accessible by using high laser energies or laser intensities.
  • the material is therefore modified particularly in the focus zone of the laser, since the intensity of the laser beam is greatest there. In particular, this can result in part of the material being able to be released from the composite of the workpiece material, for example by melting or evaporating.
  • This enables known processing processes to be carried out with regard to the interaction between the laser beam and the workpiece material to be processed, such as laser drilling, percussion drilling, laser ablation, blasting or compacting.
  • a material modification can be created with a laser pulse or a laser burst.
  • Such a material modification is caused by the evaporation of the material of the workpiece on the surface due to the irradiated laser intensity.
  • the material of the workpiece is evaporated in particular where the intensity of the laser beam exceeds a critical, material-specific processing threshold.
  • the form and shape of the laser beam in particular the intensity distribution of the laser beam in the focal plane, is crucial for the form and shape of the material modification.
  • the laser beam has a Gaussian beam profile, for example. A certain spatial area is formed around the focal point in which the laser energy is above the critical processing threshold. In other words, in the intensity distribution of the laser beam at the focus there is an iso-intensity area within which the material can be vaporized.
  • the material modifications can then have a round or elliptical cross-section in the plane of the material surface, with the material modifications having an increasing depth from the edge to the center.
  • the cross-section of the material modifications in the plane perpendicular to the surface can also be round or rounded.
  • the material modification it is also possible for the material modification to have an elliptical or circular cross-section in the plane of the material surface, but with a steep edge drop, so that an essentially rectangular cross-section of the material modification results in the plane perpendicular to the material surface.
  • such a material modification can also have a uniform depth.
  • the laser beam is scattered randomly, so that a locally randomized intensity distribution is created in the focal plane.
  • the laser beam hitting the diffuser is scattered into a large number of partial laser beams whose intensities and angles of propagation are randomly distributed or statistically distributed, for example normally distributed or Gaussian distributed.
  • the intensities and angles of propagation can also be statistically distributed in a band-limited manner, so that a largest and smallest angle of propagation of the partial laser beams is predetermined by the shape and form of the diffuser. This imparts a random or statistical component to the intensity profile in the focal plane, which has locally randomly distributed intensity peaks or intensity valleys, each of which leads to particularly strong or particularly weak material processing.
  • such scattering can imprint a type of speckle pattern on the laser beam in the focal plane, as defined, for example, in Goodman “Speckle phenomena in optics: theory and applications”, Roberts and Company Publishers, 2007.
  • the material can be processed inhomogeneously, so that regular and/or smooth processing structures in the individual material modifications are avoided.
  • the optical properties of the material can be determined, for example by scattering light guided through a transparent material at such a material modification and thus make the material appear diffuse and/or matt.
  • material modifications on the surface of the workpiece material can reduce the reflection on the material.
  • the feel or roughness can be adjusted by the type and shape of the material modifications, as well as the distribution of the material modifications on the surface of the component. It is also possible to adjust the scattering of the light and thus the optical properties of the material.
  • Anti-glare functionalization can then consist of an incident light beam not only being reflected from the surface at the angle of reflection according to Snell's law of refraction.
  • the incident light beam can also be reflected or scattered away from the surface at other angles. In particular, this directs the incident light beam in different spatial directions so that no sharp reflection occurs, in the sense that the entire energy of the incident light beam can be detected at a certain angle of reflection. Rather, the energy of the incident light is distributed over a spatial region so that the energy of the incident light beam can be detected in a range of angles of reflection.
  • the at least one diffusion plate can be designed to scatter the laser beam in transmission or in reflection.
  • the diffuser can transmit the incident laser beam so that the laser beam propagates through the diffuser and is scattered in the process.
  • the laser beam can be scattered by the diffuser so that the laser beam does not penetrate the diffuser but is reflected by it.
  • the diffuser can be a mirror that is not flat but has an irregular pattern.
  • the at least one diffusion disk can have a phase pattern, in particular a binary phase pattern, which is designed to impart a location-dependent phase difference to the laser beam; in particular, the phase pattern can be expressed in one or two dimensions.
  • the diffusion disk has scattering areas that locally influence or do not influence the phase of the incident laser beam.
  • the various scattering areas are randomly distributed on the diffusion disk, so that the scattering of the laser beam depends on the point of impact on the diffusion disk.
  • a first partial laser beam can have a phase shift to a second partial laser beam after scattering at a first scattering region. Such a phase shift makes it possible to deflect the partial laser beams from their original propagation direction.
  • phase quantization of the diffusion disk determines the number of different phase shifts that can be generated with the diffusion disk.
  • phase quantization of 2 the diffusion disk has a binary phase pattern. With a binary phase pattern, only two phase shifts can be generated between the partial laser beams, for example 0° and 180°. With a phase quantization of the diffusion disk of four, four different phase shifts can be generated, for example 0°, 90°, 180°, 270°. However, it is also possible for the diffusion disk to enable, for example, 8 or 16 different phase shifts between the partial laser beams.
  • a first scattering region can have a first material thickness and a second scattering region can have a second material thickness. If the scattering disk is designed to be reflective, the first thickness and the second thickness can be selected such that the path difference of the reflected partial laser beams corresponds to half the wavelength. Accordingly, partial laser beams adjacent to the scattering regions have a phase difference of 180°.
  • the laser beam it is also possible for the laser beam to be transmitted through a diffusion disk with diffusion areas of different thicknesses, whereby the diffusion areas of different thicknesses provide optical path lengths of different lengths. If the optical path lengths differ by half a wavelength, the partial laser beams have a phase difference of 180°.
  • the diffuser has a binary pattern, this can mean that the diffuser only provides two different optical path lengths.
  • the pattern can be distributed over the geometric extent of the diffuser, so that the diffuser has, for example, statistically distributed regions of a first thickness and a second thickness.
  • the diffuser has a binary pattern in two dimensions, then this can mean that the diffuser has randomly distributed scattering areas in both height and width. However, if the diffuser has a binary pattern in only one dimension, then this can mean that the diffuser has randomly distributed scattering areas only in height or width. For example, the binary pattern then corresponds to a stripe pattern.
  • the spatial frequency of the locally randomized intensity distribution can be adjusted via the size of the scattering areas of the scattering disk. The spatial frequency can be understood as the reciprocal of the period length of the scattering areas. If, for example, the scattering disk has small rectangular scattering areas, this leads to a large spatial frequency of the locally randomized intensity distribution and thus to a particularly inhomogeneous intensity distribution.
  • the edge length of the pixels can be larger than 1 pm, for example 20pm or 100pm.
  • the diffuser can be a spatial light modulator or a diffractive optical element.
  • a spatial light modulator can be, for example, a nanograting or a hybrid element, which can impose a defined phase distribution on the laser beam due to their inherent structure or design.
  • a light modulator can also be a spatial light modulator whose cells or pixels influence the laser beam through adjustable birefringent properties.
  • a diffractive optical element is designed, similar to a light modulator, to influence the incident laser beam in two spatial dimensions in one or more properties.
  • a diffractive optical element is a fixed component that can be used to produce exactly one beam shape from the incident laser beam.
  • a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the laser beam takes on the desired beam shape through diffraction.
  • At least two diffusion disks can be provided and scatter the laser beam one after the other, wherein a first diffusion disk can be moved relative to a second diffusion disk, in particular can be rotated or displaced.
  • the point at which the laser beam hits the diffusion disk can be changed by rotation or displacement. Due to the changed scattering properties at the different points of impact, a first laser pulse can have a first locally randomized intensity distribution, while a second laser pulse has a second locally randomized intensity distribution, whereby the intensity distributions are different.
  • the second scattering disc can be rotated, then the scattered
  • Laser beams of two consecutive pulses to different positions on the rotating Diffuser so that the intensity distribution of the first laser pulse in the focal plane differs from the intensity distribution of the second laser pulse.
  • the first diffusion disk is rotated, causing the laser pulses to hit different scattering areas of the first diffusion disk.
  • different intensity distributions always hit the second diffusion disk.
  • first and second diffusion disks can also be rotated, for example with different rotation frequencies. This allows the intensity distributions in the focal plane to be further randomized.
  • the diffusion disks can also be rotated against each other, i.e. in opposite directions.
  • the second diffusion disc is moved laterally relative to the first diffusion disc, i.e. perpendicular to the direction of beam propagation. It is also possible that the first disc is moved laterally relative to the second disc. It is also possible that the first and second diffusion discs are moved laterally relative to each other.
  • the diffusers can also be moved in an oscillating manner, for example with a piezo actuator to which an alternating voltage is applied.
  • the alternating voltage causes the piezo actuator to expand periodically in accordance with the alternating voltage frequency, resulting in an oscillating displacement of the diffuser.
  • the alternating voltage can have a frequency of more than 100 Hz, preferably more than 1 kHz.
  • the amplitude of the movement can be, for example, 10 pm or 10 Opm or 1 mm or a value in between.
  • a particular advantage is that the double scattering can achieve a large difference in the local randomization of the intensity distribution by a small rotation or displacement of a scattering disk.
  • a feed device can be designed to move the laser beam and the workpiece relative to each other with a feed, wherein the feed device has a Scanner device and/or an axis device, wherein the scanner device preferably comprises an AOM and/or a galvano scanner and/or a polygon scanner.
  • Relatively displaceable means that the laser beam can be moved translationally relative to a stationary material and the material can be moved relative to the laser beam, or there is a movement of both the material and the laser beam.
  • the focus zone of the laser beam can be placed at different locations on the material in order to introduce laser pulses.
  • the laser pulses are located on the so-called feed trajectory.
  • the feed trajectory can be straight or curved.
  • the local feed direction is always the y-direction, while the z-axis is parallel to the surface normal and the x-axis is perpendicular to the y-axis and parallel to the material surface.
  • the laser beam can be moved along with a feed while the laser pulses are emitted into or onto the material, so that the different focus zones can be arranged next to each other or even overlap to enable uniform and flat processing of the workpiece.
  • the feed device may preferably comprise an axis device and/or a scanner device.
  • the axis device can be used, for example, to move the material mechanically, while a scanner device moves the laser beam over the material.
  • the axis device can be an XYZ table with stepper motor control.
  • the axis device can also be designed with piezo adjustments in order to achieve the fastest possible adjustment.
  • the scanner device can in particular be a galvano scanner.
  • the feed device can also be a roll-to-roll device.
  • an alternating voltage is applied to a piezo crystal in an optically adjacent material to generate an acoustic wave that periodically modulates the refractive index of the material.
  • the wave can propagate through the optical material, for example as a propagating wave or as a wave packet, or can be formed as a standing wave.
  • the periodic modulation of the refractive index creates a diffraction grating for an incident laser beam.
  • An incident laser beam is diffracted by the diffraction grating and is thereby at least partially deflected at an angle to its original beam propagation direction.
  • the grating constant of the diffraction grating and thus the The deflection angle depends, among other things, on the wavelength of the acoustic wave and therefore on the frequency of the applied alternating voltage.
  • Electro-optical deflectors are based on prisms made of electro-optical crystals. By applying a voltage, the refractive index of the electro-optical crystal is changed, so that the path of the laser beam through the prism changes.
  • the spatial statistical distribution with an electro-optical and/or acousto-optical deflector can be carried out with a clock rate of over 1 MHz. Accordingly, several million repositionings of the laser pulse can take place per second.
  • the electro-optical and/or acoustic deflectors can be used to reposition the laser pulses with individual pulse precision, so that each individual laser pulse is introduced at a different location in the material.
  • a rotating mirror is used to reposition the laser beam with high accuracy and repeatability.
  • a one-dimensional galvano scanner deflects the laser beam in only one direction, while a two-dimensional galvano scanner deflects the laser beam in two different directions, which are preferably orthogonal to each other.
  • the feed device makes it possible in particular to change the position of the laser relative to the workpiece, so that successively emitted laser pulses process the workpiece at different locations. Accordingly, the laser beam can cover the entire surface of the workpiece and thus carry out surface material processing.
  • the material modifications created on the workpiece can overlap.
  • flat sections of the workpiece can be machined. It is also possible to machine the entire surface of the workpiece.
  • a flat section means that a continuous area of the extent of at least two focus zones has been machined, while full-surface machining of the surface of the workpiece means the machining of at least the side facing the laser beam.
  • the focusing optics can have at least a first lens with a first focal length and a second lens with a second focal length, wherein the first lens is arranged at a distance of the first focal length from the diffuser, wherein the second lens is arranged at a distance of the second focal length from the workpiece and wherein the first lens and the second lens are arranged at a distance from one another which corresponds to the sum of the focal lengths of the first lens and the second lens.
  • the components are achieved using a so-called 4f optic, which makes it possible to transfer the scattered light from the diffusion disks, in particular possible location and angle deviations of the laser beam, into a corresponding scattering plane.
  • This can, for example, make it possible to enlarge or reduce the focus zone so that a larger or smaller area of the workpiece can be processed in the focus plane.
  • the laser power can be concentrated on a smaller area, so that material processing is also possible with low-power laser systems.
  • the first and second lenses can have an aperture ratio of f100.
  • the focusing optics can comprise a cylindrical lens that is designed to produce a linear focus zone on the workpiece.
  • the first lens of the focusing optics can be a cylindrical lens that is designed to produce a linear focus zone on the workpiece.
  • the focus zone of the laser beam in the focus plane can be stretched in one direction.
  • the cylindrical lens has an aperture ratio of f200 in one direction, while it has no focal length in a direction perpendicular to this.
  • the cylindrical lens can be used to create a linear focus zone in the focus plane. This also means that the energy of the laser beam is only distributed in one dimension, so that a high power density or a high intensity is provided in the focus plane.
  • a beam-shaping device can be configured to impart a beam shape to the laser beam, in particular to impart a flat-top beam shape, wherein the beam-shaping device is preferably arranged in front of the first diffusing disk.
  • the beam shaping device can produce the flat-top beam shape in elliptical geometry, circular, or rectangular geometry, in particular square.
  • a beam shaping optic can be, for example, a commercially available Pi-Shaper, which imposes a flat-top beam shape on the laser beam.
  • a flat-top laser beam In comparison to a Gaussian laser beam, a flat-top laser beam has a homogeneous intensity in the beam cross-section, which drops rapidly after the beam diameter is reached. In a sense, the flat-top laser beam has a largely rectangular intensity profile, while the intensity profile of a Gaussian laser beam has a Gaussian intensity profile.
  • a flat-top laser beam provides a particularly simple beam shape.
  • flat-top laser beams can be used particularly easily to create several adjacent material modifications that adjoin one another or partially overlap, since the intensity variations at the edge of a Gaussian laser beam do not need to be compensated.
  • a method for processing a workpiece, in particular for imparting an anti-glare functionalization, by means of laser pulses of a laser, in particular a short-pulse laser or ultra-short-pulse laser is proposed, wherein the laser beam is scattered with the laser pulses by at least one diffusing disk, wherein the scattered laser beam is focused by a focusing optics into a focus zone in a focus plane in or on the workpiece, wherein the workpiece is exposed to the laser beam and is thereby processed.
  • a locally randomized intensity distribution is impressed on the laser beam in the focus zone by the diffusing disk.
  • At least two scattering disks can be moved relative to each other, whereby the spatially randomized intensity distribution undergoes a correspondingly randomized change.
  • the workpiece and the laser beam can be moved relative to each other along a feed trajectory.
  • the focus zones of different, especially successive laser pulses can overlap.
  • the focus zones can cover a surface area of the workpiece. This makes it particularly easy to process the surface of the material.
  • a further aspect of the invention relates to a workpiece with an anti-glare functionalization produced by the method.
  • the functionalized surface of the workpiece can be designed by the described method in such a way that it reduces the direct reflection of light from the workpiece.
  • Direct reflection is, for example, zero-order diffraction at the surface of the component. Direct reflection is suppressed if less than 90%, preferably less than 70%, particularly preferably less than 50% of the incident light is reflected at the angle of reflection according to Snell's law of refraction.
  • the sparkle of the surface with anti-glare functionalization can be less than 5%.
  • Sparkle describes an optical effect that is noticeable as glitter or sparkle of the transparent component when light is reflected from the surface of the component or transmitted through the transparent component.
  • the appearance is strongly dependent on the selected angle of incidence of the light and the angle of observation.
  • the sparkle is therefore a measure of the irregular intensity and color fluctuations.
  • the sparkle can, for example, be quantified as the intensity modulation of the light by the sparkle, in particular the intensity increase or the intensity decrease in a uniform illumination.
  • Anti-glare functionalization can suppress such sparkling and homogenize transmission and reflection.
  • the Distinctness of Image can be more than 70%.
  • the Distinctness of Image describes the image sharpness and quantifies the deviation of the theoretical light propagation due to the scattering of light on the material modifications.
  • a high DOI means in particular a high image sharpness.
  • the scattering of light on the dimples influences both the transmission and the reflection of light on or through the surface. With a low DOI, there is a large scattering of light, while with a high DOI there is little scattering of light and thus a high image sharpness is possible.
  • the DOI therefore scales inversely with the scattering or diffusion.
  • the diffusion can be more than 22%.
  • the diffusion is a measure of the scattering strength of the material.
  • the diffusion also depends on the shape and nature of the individual material modifications, so that the diffusion can be adjusted via the beam shape of the laser beam and the size and depth of the material modifications.
  • the transparent component can be a cover or protective part of a smart device.
  • smart devices could be electronic devices that are touch-sensitive and can be controlled by finger gestures, such as smart watches, smartphones, tablets, but also image display devices in cars, etc.
  • smart devices include screens and displays.
  • the transparent component is arranged on the back of a smart device and gives the back a particularly high-quality and non-slip surface finish due to its matt surface and its roughness due to the material modifications.
  • Figures 1A, B, C, D are schematic representations of the device of a first embodiment
  • Figures 2A, B, C, D are schematic representations of the device of a second embodiment
  • Figures 3A, B, C are schematic representations of the operation of a beam shaping device
  • Figures 4A, B, C, D, E are schematic representations of the device of a third embodiment
  • FIGS. 5A, B, C are schematic representations of the scattering plates
  • FIGS. 6A, B, C further schematic representations of the scattering plates.
  • Figures 7A, B show a schematic representation of the method according to the invention.
  • FIG. 1A shows a schematic of a device according to a first embodiment.
  • the device comprises a laser 1, in particular a short-pulse laser or an ultra-short-pulse laser, which provides laser pulses 100 that form the laser beam 10.
  • the laser beam 10 passes through a scattering disk 2, which scatters the laser beam 10 and thereby forms a plurality of partial laser beams, the intensity and direction of propagation of which are randomized by the scattering.
  • a focusing optics 3, here consisting of a first lens 30, focuses the scattered laser beam 10 or the plurality of partial laser beams into a focus zone 120 in the focus plane 12, which coincides, for example, with the surface 40 of the workpiece 4.
  • the focused and scattered laser beam 10 accordingly has a locally randomized intensity distribution in the focal plane 12, so that the surface 40 of the workpiece 4 is inhomogeneously exposed in the focal zone 120 and thereby an inhomogeneous material modification is produced.
  • the alignment of the focal plane 12 with the surface 40 of the workpiece 4 is carried out, for example, by means of an axis system (not shown), by means of which a distance between the focusing optics 3 and the surface 40 can be set. By varying the distance, a desired intensity can be set in the local maxima of the focus zone 120 on the surface 40.
  • Figure 1B shows a schematic of a diffusion disk 2.
  • the diffusion disk has various diffusion areas that are arranged on a grid, for example in a shape reminiscent of rectangular pixels.
  • the white diffusion areas do not generate a phase shift, while the black diffusion areas generate a phase shift of 180° compared to the white diffusion areas.
  • the randomized diffusion areas i.e. the random arrangement of diffusion areas that generate a phase shift or no phase shift, can impart a randomized intensity distribution in the focal plane 12 to the laser beam 10 that is transmitted through the diffusion disk 2.
  • FIG. 1 C shows an intensity distribution of the laser beam 10 in the focal plane 12 during a first pass at a first impact point through the diffusion plate 2
  • Figure 1 D shows a different intensity distribution during another pass at a second impact point through the diffusion plate 2.
  • the intensity distributions are different from one another and thus produce different material modifications on the surface 40 of the workpiece 4.
  • the diffuser plate 2 can be rotated or moved, for example, using an adjustment mechanism 2, so that the point of impact of the laser beam 10 on the diffuser plate 2 can be adjusted.
  • the intensity distribution has a kind of coarse structure that is based on the shape of the pixel-shaped scattering areas. For example, the diffraction at the rectangular pixels creates a sinc 2 -shaped envelope that is superimposed by a randomized intensity curve.
  • the randomized intensity curve reflects the influence of the various scattering areas on the laser beam 10.
  • Figure 2A shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • the laser beam 10 is formed by a beam shaping device 6.
  • a so-called flat-top beam is formed from a Gaussian laser beam of the laser, so that the envelope of the intensity distribution in the focus zone 12 is made uniform, see Figure 2C.
  • the device also has two scattering plates 2, 2', through which the laser beam 10 passes one after the other.
  • the laser beam 10 scattered by the first scattering plate 2 is scattered again by the second scattering plate 2'.
  • the first and second scattering plates 2, 2' can be moved and/or rotated relative to one another using the associated adjustment mechanisms 20, 20', as explained in detail below.
  • the various laser pulses 100 of the laser 1 experience different scattering, whereby laser pulses introduced one after the other into the material of the workpiece 4 also cause material modifications of different shapes.
  • the scattered laser beam 10 is directed onto the focusing optics 3, which comprises a first lens 30 and a second lens 32.
  • the first lens 30 is at a distance of the first focal length f1 from the diffusion plate 2', while the second lens 32 is spaced apart from one another at a distance equal to the sum of the first focal length f1 and the second focal length f2.
  • the focal plane 12 is then located at a distance f2 in the beam propagation direction behind the second lens 32, which coincides with the surface 40 of the workpiece 4.
  • the scattered light from the diffusion plate can be enlarged or reduced in size by the so-called 4f imaging in the focal plane 12.
  • the device may comprise a scanner 50 which is designed as a galvano scanner or as an AOM.
  • the second lens 32 typically performs an angle-to-location transformation of the laser beam 10, so that a laser beam 10 deflected in front of the second lens 32 is imaged behind the second lens 32 at another location in the focal plane 12. Accordingly, it is particularly advantageous to use the scanner 50 which deflects, at a distance of the second focal length f2 in front of the second lens 32. The angular deflection by the scanner is thus translated into a spatial deflection in the focal plane 12.
  • Figure 2B shows a first intensity profile of the scattered laser beam 10 in the focal plane 12.
  • the intensity profile of the flat-top laser beam 10 provides uniform illumination of a certain area, with the intensity distribution being sharply limited towards the edge of the area.
  • the double scattering process creates a locally randomized intensity profile in the area that is pronounced of laser speckles.
  • the locally randomized intensity distribution has, for example, more than 100 local intensity maxima, which lead to a very inhomogeneous and irregular material modification.
  • Figure 2C shows a comparison of the envelope of the intensity distributions from Figures 1C (dashed) and 2B (solid). It can be clearly seen that the sinc 2 -shaped intensity curve in a Gaussian raw beam concentrates a large part of the intensity in a small spatial area, while a flat-top laser beam makes surface processing of the workpiece 4 significantly easier.
  • Figure 2D shows a further intensity distribution that is generated when the first diffusing disk 2 is rotated or shifted relative to the second diffusing disk 2'. Since the first diffusing disk scatters the laser beam 10 differently in the shifted or rotated position, a different locally randomized intensity profile results in the focal plane 12. This makes it possible to avoid repeating randomized intensity distributions on the surface 40 of the workpiece 4.
  • the diameter of the focal zone is approximately 1 mm, so that the power of the laser is distributed over an area of approximately 0.8 mm 2 .
  • FIG 3A shows schematically the functioning of a flattop beam former 6.
  • the laser beam 10 running on the optical axis, which hits the beam forming device 6, has a first diameter, which relates, for example, to the drop in intensity to 1/e 2 of the intensity maximum of the laser beam 10.
  • the laser beam 10 can be reshaped by a combination of phase plates, spherical lenses and aspherical lenses.
  • the partial laser beams that form the intensity maximum of the incoming laser beam 10 can be distributed away from the optical axis, so that although there is a lower maximum intensity on the optical axis, there is a uniform intensity profile over a larger area.
  • the partial laser beams can then be parallelized again, whereby the flattop Laser beam 10' is formed.
  • the diameter of the flattop laser beam can have a larger diameter than the Gaussian laser beam.
  • Figure 4A shows a further embodiment of the device.
  • the first lens 30 of the focusing device 3 is a cylindrical lens.
  • a cylindrical lens focuses the laser beam 10 in only one direction. Accordingly, the area exposed to the laser power is smaller than the area exposed in Figure 2A. The power is therefore distributed over a smaller area and the intensity in the focal plane is greater. This also enables material processing with less powerful laser systems.
  • Figure 4A additionally has a first telescope 60 in front of the beam shaping device 6 and a second telescope 62 after the beam shaping device 6.
  • a first telescope 60 in front of the beam shaping device 6
  • a second telescope 62 after the beam shaping device 6.
  • the first telescope 62 can be configured to adjust the beam diameter of the incident laser beam 10 on the beam shaping device 6. As shown in Figures 3A, B, C, by adjusting the beam diameter in front of the beam shaping device 6, the intensity distribution of the outgoing laser beam can be adjusted.
  • the second telescope 62 can be set up to adjust the size of the illuminated area on the diffuser 2. This makes it possible to adjust the size of the focus zone 120 on the workpiece in addition to the focusing optics 3.
  • the second telescope 62 can be designed, for example, as a simple telescope with two lenses according to Galileo, or as a flexible telescope with three lenses and thus with variable magnification and divergence adjustment.
  • Figures 4B and 4C show the diffusion plates 2 and 2', which are designed as phase plates.
  • the phase plates have a one-dimensional binary pattern, whereby the laser beam 10 is also scattered in only one direction.
  • both phase plates or only one of the two phase plates have a two-dimensional pattern, as shown in Figure 1 B.
  • Figures 4D and 4E show the intensity curves in the focal plane 12, as they are generated with a device according to Figure 4A.
  • Figures 4D and 4E show two different intensity curves as they can be generated after rotation or displacement of the diffusing disks 2, 2'.
  • the focal zone through the cylindrical lens is only about 2mm wide and 30pm high. This means that the laser power is distributed over an area of only about 0.06mm 2. The power density, or fluence, is therefore more than 10 times as high in the focal zone with the cylindrical lens used as in Figures 2B, D.
  • the first and second scattering disks 2, 2' can, for example, be rotated against each other, as shown in Figure 5A.
  • both scattering disks 2, 2' can be rotated at different rotation frequencies. It is also possible for only one of the two scattering disks 2, 2' to be rotated.
  • the device it is also possible for the device to have three scattering disks 2, 2', 2", as shown in Figure 5B. All three scattering disks can also be moved parallel to each other along different axes to achieve further randomization. In particular, the scattering disks can be oscillated back and forth along the different axes, preferably at different frequencies.
  • one diffusion disc is moved and another diffusion disc is rotated (not shown).
  • Figure 5C shows another possible embodiment in which both diffusion disks 2, 2' are designed to be reflective.
  • the laser beam 10 hits the first diffusion disk 2 at an angle and is then reflected onto the diffusion disk 2' and thereby scattered. This process is repeated several times until the scattered laser beam 10 is scattered by the second diffusion disk 2' in the direction of the focusing device 3.
  • the first or the second or both diffusion disks can have an adjustment mechanism 20 so that the laser beam 10 hits the respective diffusion disk 2, 2' at different points and thus the intensity distribution in the focal plane 12 is further randomized.
  • Figure 6A shows a further embodiment for further randomization of the intensity distributions.
  • the incident laser beam 10 is scanned by a first scanner 50 deflected and guided through a first lens, as well as a first diffusing disk 2 and second diffusing disk 2' and a second lens, before the scattered laser beam is deflected again by a further scanner 50'.
  • the first scanner 50 can direct the laser beam 10 to different areas on the diffusing disks 2, 2', whereby the second scanner 50', which can be synchronized with the first scanner 50, can compensate for the location offset caused by the deflection.
  • Figure 6B shows that the second half of the beam path of Figure 6A can also be replaced by a mirror 52, which is arranged, for example, behind the first diffusion plate 2.
  • FIG 7A shows a corresponding method for processing a workpiece 4.
  • Laser pulses 100 are emitted with a laser 1, which form a laser beam 10.
  • the laser beam 10 is scattered by at least one diffusing disk 2 and focused onto the surface 40 of the workpiece 4 using a focusing optics 3.
  • the laser beam 10 strikes the workpiece 4 in the focal plane 12, thereby processing it.
  • the intensity distribution of the laser beam is locally randomized in the focal plane 12, so that the surface 40 of the workpiece 4 can be functionalized, for example, in particular can be provided with an anti-glare functionalization.
  • the workpiece 4 is moved with a feed device 5 so that the focus zone 120 of the laser beam 10 successively covers the entire surface 40 or part of the surface 40 of the workpiece 4.
  • the focus zones 120 of the various laser pulses 100 can overlap. This means in particular that a first laser pulse 100 is introduced into a first focus zone 120 at a first location x in the material of the workpiece 4, while a second laser pulse 100' is introduced into a second focus zone 120' at a second location x' in the material of the workpiece 4.
  • the diffusing disks 2, 2' of the device can be rotated or moved relative to one another.
  • Figure 7B shows that the different focus zones 120, 120' of the laser pulses 100, 100' introduced one after the other with the temporal pulse interval tO can overlap in order to carry out the most flat processing of the workpiece 4.
  • the scattering of the laser beam 10 can be changed by a corresponding relative movement of the scattering disks 2, 2' in order to achieve inhomogeneous material processing.
  • the feed rate can be up to 10 m/s, so that the surface of a workpiece can be processed very quickly.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (4), insbesondere zum Aufprägen einer Antiglare-Funktionalisierung, mittels Laserpulsen (100) eines Lasers (1), umfassend einen Laser (1), insbesondere einen Kurzpulslaser oder einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (10) mit Laserpulsen (100) bereitzustellen, mindestens eine Streuscheibe (2), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) zu streuen, mindestens eine Fokussieroptik (3), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in eine Fokuszone (120) in der Fokusebene (12) auf dem Werkstück (4) zu fokussieren, wobei das Werkstück (4) mit dem Laserstrahl (10) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, wobei die Streuscheibe (2) dazu eingerichtet ist dem Laserstrahl (10) in der Fokusebene (12) eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung aufzuprägen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass bei der Lasermaterialbearbeitung Material eines Werkstücks abgetragen werden kann, indem durch eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung das Material innerhalb der Fokuszone des Laserstrahls verdampft oder verdichtet wird. Die so entstehenden Strukturen werden Dimples genannt. Dimples eignen sich hierbei zur Funktionalisierung von Oberflächen von Bauteilen, wobei insbesondere optische Eigenschaften und tribologische Eigenschaften beeinflusst werden können.
Bei der Bearbeitung eines Materials mit einem gepulsten Laser entstehen jedoch häufig regelmäßige Strukturen, insbesondere regelmäßig angeordnete Dimples, beispielsweise durch eine Schwebung zwischen der Repetitionsrate des Lasersystems und weiteren Prozessparametern wie der Vorschubgeschwindigkeit und der Anzahl der Wiederholungen an Materialüberfahrten. Solche regelmäßigen Strukturen können beispielsweise beim Betrachten zu Interferenzeffekten führen, die den optischen Eindruck des bearbeiteten Materials stören.
Die EP3735332B1 offenbart beispielsweise eine optische Anordnung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung, bei der ein von einer Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl ein in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird und diese Teilstrahlen mit einem fokussierenden optischen Element zur Ausbildung einer Strukturierung miteinander interferierend auf die Oberfläche eines Bauteils gerichtet sind.
Darstellung der Erfindung Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum Aufprägen einer Antiglare-Funktionalisierung, mittels Laserpulsen eines Lasers vorgeschlagen, umfassend einen Laser, insbesondere einen Kurzpulslaser oder einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl mit Laserpulsen bereitzustellen, mindestens eine Streuscheibe, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl zu streuen, mindestens eine Fokussieroptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in eine Fokuszone in der Fokusebene auf dem Werkstück zu fokussieren, wobei das Werkstück mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird. Erfindungsgemäß ist die Streuscheibe dazu eingerichtet, dem Laserstrahl in der Fokusebene eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung aufzuprägen.
Das Material des Werkstücks kann hierbei beispielsweise ein Polymer oder ein Kunststoff sein. Das zu Material kann auch ein Halbleiter sein, beispielsweise ein elementarer Halbleiter wie Silizium oder Germanium, oder ein Ill-V-Halbleiter wie Galliumarsenid, oder ein organischer Halbleiter oder jede andere Art von Halbleiter sein. Beispielsweise kann das Material ein Silizium-Wafer sein. Es ist aber auch möglich, dass das Material ein beliebiges Metall umfasst, beispielsweise Aluminium, Magnesium, Titan, Eisen, oder eine Stahllegierung. Insbesondere kann das Material ein Schichtsystem sein, wobei jede Schicht gewählt werden kann aus der Gruppe beliebiger Metalle, Polymere, Kunststoffe oder Halbleiter. Insbesondere kann das Material auch ein Glas sein, beispielsweise Saphir oder Quarzglas sein.
Der Laser stellt die Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 300fs und 100ps betragen. Die Wellenlänge der Laserpulse kann zwischen 300nm und 3000nm betragen, bevorzugt zwischen 900nm und 2200nm betragen.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Laserbursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Laserbursts kann es sich insbesondere um GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet. Ein Burst kann beispielsweise zwischen 2 und 20 Laserpulse, bevorzugt zwischen 2 und 10 Laserpulse umfassen, wobei der zeitliche Abstand der Laserpulse zwischen 10ns und 50ns betragen kann. Ein Burst kann aber auch zwischen 30 und 300 Laserpulse umfassen, wobei der zeitliche Abstand der Laserpulse zwischen 100ps und 1000ps betragen kann.
Die Repetitionsrate der Laserpulse und/oder der Laserbursts kann größer als 1 kHz, bevorzugt größer als 10kHz sein. Beispielsweise kann die Repetitionsrate auch 100kHz oder mehr betragen. Demnach werden beispielsweise mehr als 1000 Pulse pro Sekunde oder mehr als 10000 Pulse pro Sekunde durch den Laser abgegeben.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann größer als 1 pJ sein, beispielswiese 2pJsein.
Der Durchmesser des von dem Laser bereitgestellten Laserstrahls kann größer als 0,1 mm sein, beispielsweise 1 mm oder 5mm betragen.
Die Laserpulse werden nach Durchlaufen der weiteren Vorrichtung in das Material eingebracht, wobei die Energie des Laserstrahls in dem Material mindestens teilweise absorbiert wird, beispielsweise durch nichtlineare Wechselwirkungen, insbesondere durch Multiphotonprozesse.
Der eingehende Laserstrahl des Lasers durchläuft zunächst die Streuscheibe. Eine solche Streuscheibe ist dazu eingerichtet den Laserstrahl zu streuen. Insbesondere kann dies bedeuten, dass der Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen überführt wird, wobei jeder Teillaserstrahl eine eigene Ausbreitungsrichtung und/oder eine eigene Intensität und/oder eine eigene Phasenfront aufweist. Insbesondere kann hierbei die Strahlausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen von der des eingehenden Laserstrahls abweichen.
Die Vielzahl von Teillaserstrahlen werden durch eine Fokussieroptik, beispielsweise eine 2f Optik, in einer Fokuszone in der Fokusebene überlagert. Der Fokus des gestreuten Laserstrahls kann dabei in Strahlausbreitungsrichtung auf dem Werkstück liegen. Der Fokus liegt hierbei auf dem Werkstück, wenn die Fokusebene genau mit der Oberfläche des Werkstücks zusammenfällt, oder in Strahlausbreitungsrichtung oberhalb oder unterhalb der Oberfläche liegt, wobei noch eine Bearbeitung der Oberfläche erfolgt. Insbesondere kann die Fokusposition innerhalb der zehnfachen Rayleigh-Länge von der Oberfläche entfernt sein, wobei die Rayleigh-Länge die Distanz entlang der optischen Achse ist, die ein Laserstrahl braucht, bis seine Querschnittsfläche sich, ausgehend von der Strahltaille beziehungsweise dem Fokus, verdoppelt.
Insbesondere kann der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen als eine gezielte Intensitätsüberhöhung verstanden werden, wobei die Laserenergie in eine „Fokuszone“ konvergiert. Insbesondere wird daher im Folgenden der Ausdruck „Fokus“ unabhängig von der tatsächlich verwendeten Strahlform und den Methoden zur Herbeiführung einer Intensitätsüberhöhung verwendet. Durch eine Fokussierung kann auch der Ort der Fokuszone entlang der Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Fokuszone quasi punktförmig sein und einen Gauß-förmigen Intensitätsquerschnitt aufweisen, wie er von einem Gauß’schen Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird. Die Fokuszone kann aber auch linienförmig oder rechteckförmig ausgebildet sein, oder die Form einer Airy-Verteilung aufweisen. Des Weiteren sind auch andere komplexere Strahlformen möglich, deren Fokusposition sich in drei Dimensionen erstreckt, wie beispielsweise ein Multi-Spot- Profil aus Gauß’schen Laserstrahlen und/oder nicht Gauß’schen Intensitätsverteilungen.
Durch die absorbierte Energie des Laserstrahls in der Fokuszone erwärmt sich das Material entsprechend der Intensitätsverteilung des Lasers in der Fokuszone und/oder geht wegen der elektromagnetischen Wechselwirkung des Lasers mit dem Material in einen temporären Plasmazustand über. Insbesondere können also neben linearen Absorptionsprozessen auch nichtlineare Absorptionsprozesse verwendet werden, die durch die Nutzung hoher Laserenergien beziehungsweise Laserintensitäten zugänglich werden. Das Material wir dementsprechend besonders in der Fokuszone des Lasers modifiziert, da dort die Intensität des Laserstrahls am größten ist. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass ein Teil des Materials aus dem Verbund des Materials des Werkstücks herausgelöst werden kann, beispielsweise schmilzt oder verdampft wird. Damit sind bezüglich der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material des Werkstücks an sich bekannte Bearbeitungsprozesse möglich, die beispielsweise als Laserbohren, Perkussionsbohren, Laserablation, Absprengen oder Verdichten bekannt sind.
Durch die Wechselwirkung der Laserpulse mit dem zu bearbeitenden Material des Werkstücks werden auf der Oberfläche des Werkstücks dementsprechend Materialmodifikationen erzeugt. Insbesondere kann mit einem Laserpuls beziehungsweise einem Laserburst eine Materialmodifikation erzeugt werden.
Eine solche Materialmodifikation entsteht durch die Verdampfung des Materials des Werkstücks an der Oberfläche durch die eingestrahlte Laserintensität. Das Material des Werkstücks wird insbesondere dort verdampft, wo die Intensität des Laserstrahls eine kritische, materialspezifische Bearbeitungsschwelle überschreitet. Dementsprechend ist die Form und Gestalt des Laserstrahls, insbesondere die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene ausschlaggebend für die Form und Gestalt der Materialmodifikation. Ohne Streuscheibe weist der Laserstrahl beispielsweise ein Gauß'sches Strahlprofil auf. Um den Fokuspunkt herum ist ein gewisser räumlicher Bereich ausgebildet, in dem die Laserenergie oberhalb der kritischen Bearbeitungsschwelle liegt. Mit anderen Worten gibt es in der Intensitätsverteilung des Laserstrahls im Fokus eine Isointensitätsfläche innerhalb der das Material verdampft werden kann. Aus dieser Isointensitätsfläche ergibt sich damit die Form und Gestalt der Materialmodifikation. Insbesondere können die Materialmodifikationen dann einen runden oder elliptischen Querschnitt in der Ebene der Materialoberfläche aufweisen, wobei die Materialmodifikationen vom Rand zum Zentrum hin eine zunehmende Tiefe aufweisen. Insbesondere kann der Querschnitt der Materialmodifikationen in der Ebene senkrecht zur Oberfläche ebenfalls rund oder gerundet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Materialmodifikation einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt in der Ebene der Materialoberfläche aufweist, aber einen steilen Randabfall aufweist, so dass sich in der Ebene senkrecht zur Materialoberfläche ein im Wesentlichen rechteckiger Querschnitt der Materialmodifikation ergibt. Beispielsweise kann eine solche Materialmodifikation auch eine gleichmäßige Tiefe aufweisen.
Mit der Streuscheibe im Strahlengang der Vorrichtung wird der Laserstrahl jedoch zufällig gestreut, so dass in der Fokusebene eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung entsteht. Demnach wird der auf die Streuscheibe treffende Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen gestreut, deren Intensitäten und Ausbreitungswinkel zufällig verteilt sind, oder statistisch verteilt sind, beispielsweise normalverteilt oder gaußverteilt sind. Die Intensitäten und Ausbreitungswinkel können auch bandbegrenzt statistisch verteilt sein, so dass ein größter und kleinster Ausbreitungswinkel der Teillaserstrahlen durch die Form und Gestalt der Streuscheibe vorgegeben wird. Dem Intensitätsprofil in der Fokusebene wird dadurch eine zufällige oder statistische Komponente aufgeprägt, das örtlich zufällig verteilte Intensitätsspitzen oder Intensitätstäler aufweist, die jeweils zu einer besonders starken oder besonders schwachen Materialbearbeitung führen. Insbesondere kann durch eine solche Streuung dem Laserstrahl in der Fokusebene eine Art Speckle-Muster aufgeprägt werden, wie beispielsweise in Goodman „Speckle phenomena in optics: theory and applications“, Roberts and Company Publishers, 2007, definiert. Dadurch eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung kann das Material inhomogen bearbeitet werden, so dass regelmäßige und/oder glatte Bearbeitungsstrukturen in den einzelnen Materialmodifikationen vermeiden werden.
Durch das Einbringen solcher inhomogener Materialmodifikationen mit Hilfe einer örtlich randomisierten Intensitätsverteilung auf der Oberfläche des Materials können beispielsweise die optischen Eigenschaften des Materials bestimmt werden, beispielsweise indem durch ein transparentes Material geleitetes Licht an einer solchen Materialmodifikation gestreut wird und so das Material diffus und/oder matt erscheinen lassen. Insbesondere können solche Materialmodifikationen auf der Oberfläche des Materials des Werkstücks die Reflexion an dem Material reduzieren.
Beispielsweise kann durch die Art und Gestalt der Materialmodifikationen, sowie der Verteilung der Materialmodifikationen auf der Oberfläche des Bauteils, die Haptik beziehungsweise die Rauigkeit eingestellt werden. Es ist aber auch möglich die Streuung des Lichts und somit die optischen Eigenschaften des Materials einzustellen.
Insbesondere kann mit den Materialmodifikationen eine Antiglare-Funktionalisierung erzeugt werden. Eine Antiglare-Funktionalisierung kann dann darin bestehen, dass ein einfallender Lichtstrahl nicht nur unter dem Ausfallwinkel gemäß dem Snellius’schen Brechnungsgesetz von der Oberfläche reflektiert wird. Es kann insbesondere auch sein, dass der einfallende Lichtstrahl unter anderen Winkeln von der Oberfläche wegreflektiert oder gestreut wird. Insbesondere wird dadurch der einfallende Lichtstrahl in verschiedene Raumrichtungen geleitet, so dass kein scharfer Reflex entsteht, in dem Sinne, dass unter einem bestimmten Ausfallswinkel die gesamte Energie des einfallenden Lichtstrahls detektiert werden kann. Vielmehr wird die Energie des einfallenden Lichts auf einen Raumbereich verteilt, so dass die Energie des einfallenden Lichtstrahls in einem Ausfallswinkelbereich detektiert werden kann.
Die mindestens eine Streuscheibe kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl in Transmission oder in Reflexion zu streuen.
Beispielsweise kann die Streuscheibe den einfallenden Laserstrahl transmittieren, so dass der Laserstrahl durch die Streuscheibe hindurch propagiert und dabei gestreut wird. Beispielsweise kann der Laserstrahl an der Streuscheibe gestreut werden, so dass der der Laserstrahl die Streuscheibe nicht durchdringt, sondern daran reflektiert wird. Beispielsweise kann die Streuscheibe ein Spiegel sein, der nicht plan ist, sondern ein irreguläres Muster aufweist.
Die mindestens eine Streuscheibe kann ein Phasenmuster, insbesondere ein binäres Phasenmuster, aufweisen, dass dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine ortsabhängige Phasendifferenz aufzuprägen, insbesondere kann das Phasenmuster in einer oder zwei Dimensionen ausgeprägt sein.
Die Streuscheibe weist hierbei Streubereiche auf, die die Phase des einfallenden Laserstrahls lokal beeinflussen oder nicht beeinflussen. Die verschiedenen Streubereiche sind hierbei zufällig auf der Streuscheibe verteilt, so dass die Streuung des Laserstrahls abhängig von dem Auftreffort auf die Streuscheibe ist. Beispielsweise kann ein erster Teillaserstrahl nach der Streuung an einem ersten Streubereich einen Phasenversatz zu einem zweiten Teillaserstrahl aufweisen. Durch einen solchen Phasenversatz ist es möglich die Teillaserstrahlen von ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abzulenken.
Die Anzahl der mit der Streuscheibe erzeugbaren unterschiedlichen Phasenversätze wird durch die sogenannte Phasenquantisierung der Streuscheibe bestimmt. Bei einer Phasenquantisierung von 2 weist die Streuscheibe ein binäres Phasenmuster auf. Mit einem binären Phasenmuster können nur zwei Phasenversätze zwischen den Teillaserstrahlen erzeugt werden, beispielsweise 0° und 180°. Bei einer Phasenquantisierung der Streuscheibe von vier können vier unterschiedliche Phasenversätze erzeugt werden, beispielsweise 0°, 90°, 180°, 270°. Es ist aber auch möglich, dass die Streuscheibe beispielsweise 8 oder 16 verschiedene Phasenversätze zwischen den Teillaserstrahlen ermöglicht.
Beispielsweise kann ein erster Streubereich eine erste Materialdicke aufweisen und ein zweiter Streubereich kann eine zweite Materialdicke aufweisen. Wenn die Streuscheibe reflektiv ausgebildet ist, dann kann die erste Dicke und die zweite Dicke derart gewählt werden, dass der Gangunterschied der reflektierten Teillaserstrahlen der halben Wellenlänge entspricht. Demnach weisen an den Streubereichen benachbarte Teillaserstrahlen einen Phasenunterschied von 180° auf.
Es ist aber auch möglich, dass der Laserstrahl durch eine Streuscheibe mit Streubereichen unterschiedlicher Dicke transmittiert wird, wobei die unterschiedlich dicken Streubereiche unterschiedlich lange optische Weglängen bereitstellen. Sind die optischen Weglängen um eine halbe Wellenlänge verschieden, so weisen die Teillaserstrahlen einen Phasenunterschied von 180° auf.
Wenn die Streuscheibe ein binäres Muster aufweist, dann kann dies bedeuten, dass die Streuscheibe lediglich zwei verschiedene optische Weglängen bereitstellt. Das Muster kann hierbei über die geometrische Ausdehnung der Streuscheibe verteilt sein, so dass die Streuscheibe beispielsweise statistisch verteilt Bereiche einer ersten Dicke und einer zweiten Dicke aufweist.
Wenn die Streuscheibe ein binäres Muster in zwei Dimensionen aufweist, dann kann dies bedeuten, dass die Streuscheibe sowohl in der Höhe als auch der Breite zufällig verteilte Streubereiche aufweist. Wenn die Streuscheibe ein binäres Muster jedoch nur in einer Dimension aufweist, dann kann die bedeuten, dass die Streuscheibe lediglich in der Höhe oder der Breite ein zufällig verteilte Streubereiche aufweist. Beispielsweise entspricht das binäre Muster dann einem Streifenmuster. Insbesondere kann die Ortsfrequenz der örtlich randomisierten Intensitätsverteilung über die Größe der Streubereiche der Streuscheibe eingestellt werden. Die Ortsfrequenz kann hierbei verstanden werden als der Kehrwert der Periodenlänge der Streubereiche. Wenn beispielsweise die Streuscheibe kleine rechteckförmige Streubereiche aufweist, dann führt dies zu einer großen Ortsfrequenz der örtlich randomisierten Intensitätsverteilung und somit zu einer besonders inhomogenen Intensitätsverteilung.
Beispielsweise kann die Kantenlänge der Pixel größer als 1 pm sein, beispielsweise 20pm sein oder 100pm sein.
Die Streuscheibe kann ein räumlicher Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element sein.
Ein räumlicher Lichtmodulator kann beispielsweise ein Nanogitter oder ein Hybridelement sein, welche durch deren inhärente Struktur oder Ausgestaltung dem Laserstrahl eine definierte Phasenverteilung aufprägen können. Beispielsweise kann ein Lichtmodulator aber auch ein räumlicher Lichtmodulator sein, dessen Zellen beziehungsweise Pixel den Laserstrahl durch einstellbare doppelbrechende Eigenschaften beeinflussen.
Ein diffraktives optisches Element ist ähnlich zum Lichtmodulator dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Im Unterschied zu einem LCD-basierten räumlichen Lichtmodulator, ist ein diffraktives optisches Element ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung genau einer Strahlform aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der Laserstrahl die gewünschten Strahlform annimmt.
Mindestens zwei Streuscheiben können vorgesehen sein und den Laserstrahl nacheinander streuen, wobei eine erste Streuscheibe relativ zu einer zweiten Streuscheibe bewegt werden kann, insbesondere rotiert oder verschoben werden kann.
Durch die Rotation oder Verschiebung kann der Auftreffort des Laserstrahls auf die Streuscheibe verändert werden. Durch die veränderten Streueigenschaften an den unterschiedlichen Auftrefforten kann ein erster Laserpuls eine erste örtlich randomisierte Intensitätsverteilung aufweisen, während ein zweiter Laserpuls eine zweite örtliche randomisierte Intensitätsverteilung aufweist, wobei die Intensitätsverteilungen unterschiedlich sind.
Beispielsweise kann die zweite Streuscheibe rotiert werden, dann treffen die gestreuten
Laserstrahlen zweier aufeinanderfolgender Pulse auf unterschiedliche Positionen auf der rotierten Streuscheibe, so dass die Intensitätsverteilung des ersten Laserpulses in der Fokusebene sich von der Intensitätsverteilung des zweiten Laserpulses unterscheidet.
Es kann aber auch sein, dass die erste Streuscheibe rotiert wird, wodurch die Laserpulse auf unterschiedliche Streubereiche der ersten Streuscheibe treffen. Es treffen jedoch auf die zweite Streuscheibe stets unterschiedliche Intensitätsverteilungen.
Es kann aber auch sein, dass die erste und die zweite Streuscheibe rotiert werden, beispielsweise mit unterschiedlichen Rotationsfrequenzen. Dadurch können die Intensitätsverteilungen in der Fokusebene weiter randomisiert werden. Insbesondere können die Streuscheiben auch gegeneinander also mit entgegengesetztem Drehsinn rotiert werden.
Es ist aber auch möglich, dass die zweite Streuscheibe gegen die erste Streuscheibe lateral, also senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung verschoben wird. Es ist auch möglich, dass die erste Scheibe gegen die zweite Scheibe lateral verschoben wird. Es ist aber auch möglich, dass die erste und die zweite Streuscheibe lateral gegeneinander verschoben werden.
Die Streuscheiben können auch oszillierend verschoben werden, beispielsweise mit einem Piezoversteller, an den eine Wechselspannung angelegt wird. Durch die Wechselspannung dehnt sich der Piezoversteller entsprechend der Wechselspannungsfrequenz periodisch aus, so dass es zu einer oszillierenden Verschiebung der Streuscheibe kommt. Beispielsweise kann die Wechselspannung eine Frequenz von mehr als 100Hz, bevorzugt von mehr als 1 kHz aufweisen. Die Amplitude der Bewegung kann beispielsweise 10pm oder 10Opm oder 1 mm oder einen Wert dazwischen betragen.
Dies hat den Vorteil, dass durch die beispielsweise statischen ausgebildeten Streuscheiben mit festgelegtem binärem Muster, die den Laserstrahl prinzipiell gleich streuen, unterschiedliche randomisierte Intensitätsverteilungen in der Fokusebene erzeugt werden können. Dadurch können insbesondere periodische, wiederkehrende Muster in den Materialmodifikationen vermieden werden, um so eine besonders hochwertige Materialbearbeitung vornehmen zu können.
Besonderer Vorteil ist, dass durch die doppelte Streuung durch eine geringe Rotation oder Verschiebung einer Streuscheibe bereits ein großer Unterschied in der örtlichen Randomisierung der Intensitätsverteilung erreicht werden kann.
Eine Vorschubvorrichtung kann dazu eingerichtet sein den Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander mit einem Vorschub zu bewegen, wobei die Vorschubvorrichtung eine Scannervorrichtung und/oder eine Achsvorrichtung umfasst, wobei die Scannervorrichtung bevorzugt einen AOM und/oder einen Galvano-Scanner und/oder ein Polygonscanner umfasst.
Relativ zueinander verschiebbar bedeutet, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Material verschoben werden kann als auch das Material relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann, oder es findet eine Bewegung sowohl des Materials als auch des Laserstrahls statt.
Dadurch kann insbesondere die Fokuszone des Laserstrahls an verschiedenen Orten des Materials platziert werden, um Laserpulse einzubringen. Die Laserpulse liegen hierbei insbesondere auf der sogenannten Vorschubtrajektorie. Beispielsweise kann die Vorschubtrajektorie gerade oder gekrümmt sein. Insbesondere ist die lokale Vorschubrichtung stets die y-Richtung, während die z- Achse parallel zur Oberflächennormalen steht und die x-Achse senkrecht zur y-Achse parallel zur Materialoberfläche ausgerichtet ist.
Beispielsweise kann dadurch der Laserstrahl entlang mit einem Vorschub bewegt werden, während die Laserpulse in oder auf das Material abgegeben werden, damit können die verschiedenen Fokuszonen aneinander angeordnet werden, oder gar überlappen, um eine gleichmäßige und flächige Bearbeitung des Werkstücks zu ermöglichen.
Die Vorschubvorrichtung kann bevorzugt eine Achsvorrichtung und/oder eine Scannervorrichtung umfassen.
Mit der Achsvorrichtung kann beispielsweise das Material mechanisch bewegt werden, während mit einer Scannervorrichtung der Laserstrahl über das Material bewegt wird. Insbesondere kann die Achsvorrichtung ein XYZ-Tisch mit Schrittmotorsteuerung sein. Es kann aber auch sein, dass die Achsvorrichtung mit Piezoverstellungen ausgebildet ist, um eine möglichst schnelle Verstellung zu erreichen. Die Scannervorrichtung kann insbesondere ein Galvanoscanner sein. Es kann aber auch sein, dass die Vorschubvorrichtung eine Rolle-zu-Rolle Vorrichtung ist.
In einem akustooptischen Deflektor wird mit einer Wechselspannung an einem Piezokristall in einem optisch angrenzenden Material eine akustische Welle erzeugt, die den Brechungsindex des Materials periodisch moduliert. Die Welle kann hierbei durch das optische Material propagieren, beispielsweise als propagierende Welle oder als Wellenpaket, oder als stehende Welle ausgebildet sein. Durch die periodische Modulation des Brechungsindex wird hierbei ein Beugungsgitter für einen einfallenden Laserstrahl realisiert. Ein einfallender Laserstrahl wird an dem Beugungsgitter gebeugt und dadurch zumindest teilweise unter einem Winkel zu seiner ursprünglichen Strahlausbreitungsrichtung abgelenkt. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters und somit der Ablenkwinkel hängt dabei unter anderem von der Wellenlänge der akustischen Welle ab und dadurch von der Frequenz der angelegten Wechselspannung.
Elektrooptische Deflektoren basieren auf Prismen aus elektrooptischen Kristallen. Durch Anlegen einer Spannung wird der Brechungsindex des elektrooptischen Kristalls verändert, so dass sich der Pfad des Laserstrahls durch das Prisma ändert.
Die räumliche statistische Verteilung mit einem elektrooptischen und/oder akustooptischen Deflektor kann mit einer Taktung von über 1 MHz erfolgen. Dementsprechend können mehrere Millionen Umpositionierungen des Laserpulses pro Sekunde erfolgen. Insbesondere kann durch den elektrooptischen und/oder den akustischen Deflektoren eine Einzelpulsgenaue Umpositionierung der Laserpulse erfolgen, so dass jeder einzelne Laserpuls an einem anderen Ort des Materials eingebracht wird.
Bei einem Galvanoscanner wird mit einem drehbaren Spiegel der Laserstrahl mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit umpositioniert. Insbesondere lenkt ein eindimensionaler Galvano-Scanner den Laserstrahl in nur eine Richtung ab, während ein zweidimensionaler Galvano-Scanner den Laserstrahl in zwei verschiedene Richtungen ablenkt, die vorzugsweise orthogonal zueinander sind.
Durch die Vorschubvorrichtung wird es insbesondere ermöglicht die Position des Lasers relativ zum Werkstück zu verändern, so dass sukzessiv abgegebene Laserpulse das Werkstück an unterschiedlichen Orten bearbeiten. Dementsprechend kann der Laserstrahl die gesamte Oberfläche des Werkstücks überstreichen und somit eine flächige Materialbearbeitung vornehmen.
Die Materialmodifikationen, die auf dem Werkstück erzeugt werden, können hierbei überlappen.
Indem die Materialmodifikationen überlappen, kann eine kontinuierliche bearbeitete Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass somit auch regelmäßige Muster, die beispielsweise aus einem gleichmäßigen Versatz des Laserstrahls mit der Vorschubgeschwindigkeit zwischen zwei Laserpulsen resultiert, vermieden werden.
Insbesondere können somit auch flächige Abschnitte des Werkstücks bearbeitet werden. Es ist auch möglich die Oberfläche des Werkstücks somit vollflächig zu bearbeiten.
Ein flächiger Abschnitt bedeutet hierbei, dass ein zusammenhängender Bereich von der Ausdehnung mindestens zweier Fokuszonen bearbeitet wurde, während eine vollflächige Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks die Bearbeitung mindestens der dem Laserstrahl zugewandten Seite bedeutet. Die Fokussieroptik kann mindestens eine erste Linse mit einer ersten Brennweite und eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite aufweisen, wobei die erste Linse in einem Abstand der ersten Brennweite zur Streuscheibe angeordnet ist, wobei die zweite Linse zum Werkstück in einem Abstand der zweiten Brennweite angeordnet ist und wobei die erste Linse und die zweite Linse in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe der Brennweiten der ersten Linse und der zweiten Linse entspricht.
Insgesamt wird eine solche Positionierung der Komponenten eine sogenannte 4f-Optik realisiert wodurch es möglich ist, das gestreute Licht der Streuscheiben, insbesondere mögliche Orts- und Winkelabweichungen des Laserstrahls, in eine korrespondierende Streuebene zu überführen. Dadurch kann beispielsweise eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung der Fokuszone erreicht werden, so dass ein größerer oder kleinerer Bereich des Werkstücks in der Fokusebene bearbeitet werden kann. Insbesondere kann durch eine Verkleinerung der Fokuszone die Laserleistung auf eine kleinere Fläche konzentriert werden, so dass auch mit leistungsschwachen Lasersystemen eine Materialbearbeitung ermöglicht wird. Beispielsweise können die erste und zweite Linse ein Öffnungsverhältnis von f100 aufweisen.
Die Fokussieroptik kann eine Zylinderlinse umfassen, die dazu eingerichtet ist, auf dem Werkstück eine linienförmige Fokuszone zu erzeugen. Insbesondere kann die erste Linse der Fokussieroptik eine Zylinderlinse sein, die dazu eingerichtet ist, auf dem Werkstück eine linienförmige Fokuszone zu erzeugen.
Indem die Fokussieroptik eine Zylinderlinse umfasst, kann die Fokuszone des Laserstrahls in der Fokusebene in einer Richtung getreckt werden. Beispielsweise weist hierzu die Zylinderlinse in einer Richtung ein Öffnungsverhältnis von f200 auf, während es in einer dazu senkrechten Richtung keine Brennweite aufweist. Insbesondere kann durch die Zylinderline eine linienförmige Fokuszone in der Fokusebene erzeugt werden. Dadurch wird auch die Energie des Laserstrahls auch nur auf eine Dimension verteilt, so dass eine hohe Leistungsdichte beziehungsweise eine hohe Intensität in der Fokusebene bereitgestellt wird.
Dadurch kann ermöglicht werden, dass auch mit leistungsschwachen Lasersystemen noch eine entsprechende Materialbearbeitung erreicht werden kann.
Eine Strahlformungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein dem Laserstrahl eine Strahlform aufzuprägen, insbesondere eine Flat-Top Strahlform aufzuprägen, wobei die Strahlformungsvorrichtung bevorzugt vor der ersten Streuscheibe angeordnet wird. Die Strahlformungsvorrichtung kann dabei die Flat-Top Strahlform in elliptischer Geometrie, kreisrund, oder in rechteckiger Geometrie, insbesondere quadratisch, erzeugen.
Eine Strahlformungsoptik kann beispielsweise ein kommerziell erhältlicher Pi-Shaper sein, der dem Laserstrahl eine Flattop-Strahlform aufprägt. Ein Flattop-Laserstrahl hat im Vergleich zu einem Gauß’schen Laserstrahl eine im Strahlquerschnitt homogene Intensität, die nach Erreichen des Strahldurchmessers rapide abfällt. Gewissermaßen weist der Flattop-Laserstrahl ein weitgehend rechteckiges Intensitätsprofil auf, während das Intensitätsprofil eines Gaußschen Laserstrahls ein gaußförmiges Intensitätsprofil aufweist.
Durch einen Flattop-Laserstrahl wird eine besonders einfache Strahlform bereitgestellt. Beispielsweise können mit Flattop-Laserstrahlen besonders einfach mehrere benachbarte Materialmodifikationen erzeugt werden, die sich aneinander anschließen oder teilweise überlappen, da die Intensitätsvariationen am Rande eines Gauß’schen Laserstrahls nicht ausgeglichen werden müssen.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum Aufprägen einer Antiglare-Funktionalisierung, mittels Laserpulse eines Lasers, insbesondere eines Kurzpulslasers oder Ultrakurzpulslasers, vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl mit den Laserpulsen von mindestens einer Streuscheibe gestreut wird, wobei der gestreute Laserstrahl von einer Fokussieroptik in eine Fokuszone in einer Fokusebene in oder auf dem Werkstück fokussiert wird, wobei das Werkstück mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird. Erfindungsgemäß wird dem Laserstrahl in der Fokuszone durch die Streuscheibe eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung aufgeprägt.
Dabei können mindestens zwei Streuscheiben relativ zueinander bewegt werden, wobei die örtlich randomisierte Intensitätsverteilung eine entsprechend randomisierte Veränderung erfährt.
Das Werkstück und der Laserstrahl können relativ zueinander entlang einer Vorschubtrajektorie verschoben werden.
Die Fokuszone verschiedener, insbesondere sukzessiver Laserpulse können überlappen.
Die Fokuszonen können einen flächenmäßigen Abschnitt des Werkstücks bedecken. Dadurch wird eine besonders einfach flächenmäßige Bearbeitung des Materials ermöglicht.
Einen weiteren Aspekt der Erfindung betrifft ein Werkstück mit einer durch das Verfahren hergestellten Antiglare-Funktionalisierung.
Die funktionalisierte Oberfläche des Werkstücks kann durch das beschriebene Verfahren kann so ausgebildet sein, dass sie die direkte Reflexion von Licht an dem Werkstück reduziert.
Die direkte Reflexion ist beispielsweise eine Beugung nullter Ordnung an der Oberfläche des Bauteils. Die direkte Reflexion ist unterdrückt, wenn unter dem Reflexionswinkel nach dem Snellius'schen Brechungsgesetz weniger als 90%, bevorzugt weniger als 70% besonders bevorzugt weniger als 50% des einfallenden Lichts reflektiert wird.
Der Sparkle der Oberfläche mit der Antiglare-Funktionalisierung kann weniger als 5% betragen.
Sparkle beschreibt einen optischen Effekt, der sich als Glitzern oder Funkeln des transparenten Bauteils bemerkbar macht, wenn Licht von der Oberfläche des Bauteils reflektiert wird oder durch das transparente Bauteil transmittiert wird. Die Erscheinung ist hierbei stark von den gewählten Auftreffwinkeln des Lichts und vom Beobachtungswinkel abhängig. Der Sparkle ist somit ein Maß für die irregulären Intensitäts- und Farbschwankungen.
Der Sparkle kann beispielsweise quantifiziert werden als die Intensitätsmodulation des Lichts durch den Sparkle, also insbesondere den Intensitätshub oder die Intensitätsverringerung bei einer gleichförmigen Beleuchtung.
Durch eine Antiglare-Funktionalisierung lässt sich ein solches Funkeln unterdrücken und die Transmission und Reflexion homogenisieren.
Die Distinctness of Image kann mehr als 70% betragen.
Die Distinctness of Image (DOI) beschreibt die Bildschärfe und quantifiziert die Abweichung der theoretischen Lichtausbreitung durch die Streuung des Lichts an den Materialmodifikationen. Eine hohe DOI bedeutet insbesondere eine hohe Bildschärfe. Die Streuung des Lichts an den Dimples beeinflusst hierbei sowohl die Transmission als auch die Reflexion des Lichts an oder durch die Oberfläche. Bei einer geringen DOI erfolgt hierbei eine große Streuung des Lichts, während bei einer hohen DOI eine geringe Streuung des Lichts erfolgt und somit eine hohe Bildschärfe ermöglicht wird. Die DOI skaliert daher invers mit der Streuung beziehungsweise der Diffusion.
Die Diffusion kann mehr als 22% betragen. Die Diffusion ist hierbei ein Maß für dir Streustärke des Materials. Insbesondere hängt die Diffusion auch von der Form und der Beschaffenheit der einzelnen Materialmodifikationen ab, so dass die Diffusion über die Strahlform des Laserstrahls und die Größe und Tiefe der Materialmodifikationen eingestellt werden kann.
Das transparente Bauteil kann ein Deck- oder Schutzteil eines Smart Devices sein.
Insbesondere könnten sogenannte Smart Devices elektronische Geräte sein, die berührungsempfindlich sind und durch Fingergesten gesteuert werden können, beispielsweise Smartwatches, Smartphones, Tablets, aber auch Bildanzeigegeräte in Autos etc. Allgemein sind Bildschirme und Displays von Smart Devices umfasst.
Es kann aber auch sein, dass das transparente Bauteil auf der Rückseite eines Smart Devices angeordnet ist und der Rückseite durch seine mattierte Oberfläche und seine Rauheit durch die Materialmodifikationen eine besonders wertige und rutschfeste Oberflächenbeschaffenheit verleiht.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figuren 1A, B, C, D schematische Darstellungen der Vorrichtung einer ersten Ausführungsform;
Figuren 2A, B, C, D schematische Darstellungen der Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform;
Figuren 3A, B, C schematische Darstellungen der Funktionsweise einer Strahlformungsvorrichtung;
Figuren 4A, B, C, D, E schematische Darstellungen der Vorrichtung einer dritten Ausführungsform;
Figuren 5A, B, C schematische Darstellungen der Streuplatten;
Figuren 6A, B, C weitere schematische Darstellungen der Streuplatten; und
Figuren 7A, B eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 A ist schematisch eine Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Laser 1 , insbesondere einen Kurzpulslaser oder einen Ultrakurzpulslaser, der Laserpulse 100 bereitstellt, die den Laserstrahl 10 ausbilden. Der Laserstrahl 10 durchläuft eine Streuscheibe 2, die den Laserstrahl 10 streut und dadurch eine Vielzahl von Teillaserstrahlen ausbildet, deren Intensität und Ausbreitungsrichtung durch die Streuung randomisiert wird. Eine Fokussieroptik 3, hier bestehend aus einer ersten Linse 30 fokussiert den gestreuten Laserstrahl 10 beziehungsweise die Vielzahl an Teillaserstrahlen in eine Fokuszone 120 in der Fokusebene 12, die beispielsweise mit der Oberfläche 40 des Werkstücks 4 zusammenfällt. Der fokussierte und gestreute Laserstrahl 10 weist dementsprechend in der Fokusebene 12 eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung auf, so dass die Oberfläche 40 des Werkstücks 4 in der Fokuszone 120 inhomogen beaufschlagt wird und dadurch eine inhomogene Materialmodifikation erzeugt wird.
Das Ausrichten der Fokusebene 12 mit der Oberfläche 40 des Werkstücks 4 erfolgt beispielsweise mittels eines Achssystems (nicht gezeigt), durch das ein Abstand zwischen Fokussieroptik 3 und Oberfläche 40 eingestellt werden kann. Durch Variation des Abstands lässt sich eine gewünschte Intensität in den lokalen Maxima der Fokuszone 120 an der Oberfläche 40 einstellen.
In Figur 1 B ist schematisch eine Streuscheibe 2 gezeigt. Die Streuscheibe weist verschiedene Streubereiche auf, die beispielsweise auf einem Raster gelegen sind, beispielsweise in einer Form, die an rechteckige Pixel erinnern. Die weißen Streubereiche erzeugen hierbei keinen Phasenschub, während die schwarzen Streubereiche einen Phasenschub von 180° im Vergleich zu den Weißen Streu bereichen erzeugen. Durch die randomisierten Streubereiche, sprich die zufällige Anordnung von Streubereichen, die einen Phasenschub oder keinen Phasenschub erzeugen, kann der Laserstrahl 10 der durch die Streuscheibe 2 transmittiert wird, eine randomisierte Intensitätsverteilung in der Fokusebene 12 aufgeprägt werden.
Solche örtlich randomisierten Intensitätsverteilungen sind in Figuren 1 C, D gezeigt. Figur 1 C zeigt hierbei eine Intensitätsverteilung des Laserstrahls 10 in der Fokusebene 12 bei einem ersten Durchgang an einem ersten Auftreffort durch die Streuscheibe 2 und Figur 1 D zeigt eine davon unterschiedliche Intensitätsverteilung bei einem anderen Durchgang an einem zweiten Auftreffort durch die Streuscheibe 2. Die Intensitätsverteilungen sind voneinander verschieden und erzeugen somit unterschiedliche Materialmodifikationen an der Oberfläche 40 des Werkstücks 4. Um die unterschiedlichen örtlich randomisierten Intensitätsverteilungen in der Fokusebene 12 zu erzeugen kann die Streuscheibe 2 mit einer Verstellmechanik 2 beispielsweise rotiert oder verschoben werden, so dass der Auftreffort des Laserstrahls 10 auf die Streuscheibe 2 eingestellt werden kann.
Die Intensitätsverteilung weist hierbei eine Art Grobstruktur auf, die auf der Form der pixelförmigen Streubereiche beruht. Beispielsweise entsteht durch die Beugung an den rechteckigen Pixeln eine sinc2-förmige Einhüllende, die von einem randomisierten Intensitätsverlauf überlagert ist. Der randomisierte Intensitätsverlauf spiegelt hierbei den Einfluss der verschiedenen Streubereiche auf den Laserstrahl 10 wider.
Figur 2A zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zu Figur 1A wird der Laserstrahl 10 durch eine Strahlformungsvorrichtung 6 geformt. Beispielsweise wird hierbei aus einem gaußförmigen Laserstrahl des Lasers ein sogenannter Flattop-Strahl geformt, so dass die Einhüllende der Intensitätsverteilung in der Fokuszone 12 vergleichmäßigt wird, siehe Figur 2C.
Die Vorrichtung weist außerdem zwei Streuplatten 2, 2‘ auf, die von dem Laserstrahl 10 nacheinander durchlaufen werden. Dabei wird der von der ersten Streuplatte 2 gestreute Laserstrahl 10 von der zweiten Streuplatte 2‘ abermals gestreut. Um die Streuung des Laserstrahls 10 weiter zu randomisieren, können die erste und zweite Streuplatte 2, 2‘ relativ zueinander mit den zugehörigen Verstellmechaniken 20, 20‘ verschoben und/oder rotiert werden, wie weiter unten im Detail erklärt. Dadurch erfahren die verschiedenen Laserpulse 100 des Lasers 1 eine unterschiedliche Streuung, wodurch nacheinander in das Material des Werkstücks 4 eingebrachte Laserpulse auch unterschiedlich geformte Materialmodifikationen hervorrufen.
Der gestreute Laserstrahl 10 wird auf die Fokussieroptik 3 gelenkt, die eine erste Linse 30 und eine zweite Linse 32 umfasst. Die erste Linse 30 steht hierbei im Abstand der ersten Brennweite f1 von der Streuscheibe 2‘ entfernt, während die zweite Linse 32 im Abstand der Summe der ersten Brennweite f1 und der zweiten Brennweite f2 zueinander beabstandet sind. Die Fokusebene 12 befindet sich anschließend im Abstand f2 in Strahlausbreitungsrichtung hinter der zweiten Linse 32, die mit der Oberfläche 40 des Werkstücks 4 zusammenfällt. Durch die sogenannte 4f-Abbildung in die Fokusebene 12 kann das gestreute Licht der Streuplatte vergrößert oder verkleinert abgebildet werden.
Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung einen Scanner 50 umfasst, der als Galvanoscanner oder als AOM ausgebildet ist. Durch die zweite Linse 32 wird typischerweise eine Winkel-zu-Orts- Transformation des Laserstrahls 10 vorgenommen, so dass ein vor der zweiten Linse 32 abgelenkter Laserstrahl 10 hinter der zweiten Linse 32 in einen anderen Ort in der Fokusebene 12 abgebildet wird. Demnach ist es besonders vorteilhaft den Scanner 50, der den Laserstrahl 10 ablenkt, im Abstand der zweiten Brennweite f2 vor der zweiten Linse 32 zu positionieren. Die Winkelablenkung durch den Scanner wird damit in eine Ortsablenkung in der Fokusebene 12 übersetzt.
In Figur 2B ist ein erster Intensitätsverlauf des gestreuten Laserstrahls 10 in der Fokusebene 12 gezeigt. Der Intensitätsverlauf des Flattop-Laserstrahls 10 stellt hierbei eine gleichmäßige Ausleuchtung einer gewissen Fläche bereit, wobei die Intensitätsverteilung zum Rand der Fläche hin scharf begrenzt wird. In der Fläche bildet sich durch den zweifachen Streuvorgang ein örtlich randomisierter Intensitätsverlauf aus, der an Laserspeckles erinnert. Die örtlich randomisierte Intensitätsverteilung weist hierbei beispielsweise mehr als 100 lokale Intensitätsmaxima auf, die zu einer sehr inhomogenen und irregulären Materialmodifikation führen.
In Figur 2C ist die Einhüllende der Intensitätsverteilungen aus Figuren 1C (gestrichelt) und 2B (durch gezogen) im Vergleich gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass der sinc2-förmige Intensitätsverlauf bei einem Gauß’schen Rohstrahl einen Großteil der Intensität auf einen geringen Raumberiech konzentriert, während mit einem Flattop-Laserstrahl eine flächige Bearbeitung des Werkstücks 4 deutlich vereinfacht wird.
In Figur 2D ist eine weitere Intensitätsverteilung gezeigt, die erzeugt wird, wenn die erste Streuscheibe 2 gegen die zweite Streuscheibe 2’ rotiert oder verschoben wird. Da die erste Streuscheibe den Laserstrahl 10 in der verschobenen oder rotierten Position unterschiedlich streut, ergibt sich ein anderer örtlich randomisierter Intensitätsverlauf in der Fokusebene 12. Dadurch können sich wiederholende randomisierte Intensitätsverteilungen auf der Oberfläche 40 des Werkstücks 4 vermieden werden. In den Figuren 2B, 2D beträgt der Durchmesser der Fokuszone etwa 1 mm, so dass die Leistung des Lasers auf eine Fläche von etwa 0,8mm2 verteilt wird.
Figur 3A zeigt schematisch die Funktionsweise eines Flattop-Strahlformers 6. Der auf der optischen Achse laufende Laserstrahl 10, der auf die Strahlformungsvorrichtung 6 trifft, weist einen ersten Durchmesser auf, der sich beispielsweise auf den Abfall der Intensität auf 1/e2 des Intensitätsmaximums des Laserstrahls 10 bezieht. In der Strahlformungsvorrichtung 6 kann der Laserstrahl 10 durch eine Kombination aus Phasenplatten, spährischen Linsen und asphärischen Linsen umgeformt werden. Beispielsweise können dabei die Teillaserstrahlen, die das Intensitätsmaximum des einlaufenden Laserstrahls 10 ausbilden, von der optischen Achse wegverteilt werden, so dass auf der optischen Achse zwar eine niedrigere maximale Intensität vorliegt, dafür ein gleichmäßiger Intensitätsverlauf über einen größeren Bereich vorliegt. Anschließend können die Teillaserstrahlen erneut parallelisiert werden, wodurch der Flattop- Laserstrahl 10‘ ausgebildet wird. Der Durchmesser des Flattop-Laserstrahl kann hierbei einen größeren Durchmesser als der Gauß’sche Laserstrahl aufweisen.
In Abhängigkeit von dem Strahldurchmesser des eintreffenden Laserstrahls 10 können mit derselben Strahlformungsvorrichtung 6 unterschiedliche Strahlformen erzeugt werden, siehe beispielsweise auch Laskin et al. „Variable beam shaping with using the same field mapping refractive beam shaper." Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XIV. Vol. 8236. SPIE, 2012. In Figur 3B weist der einfallende Laserstrahl 10 einen größeren Durchmesser als in Figur 3A auf. Dadurch bilden sich nach der Strahlformungsvorrichtung 6 Randüberhöhungen am Intensitätsprofil des Flattop-Laserstrahls. In Figur 3C weist der einfallende Laserstrahl 10 einen geringeren Durchmesser auf als in Figur 3A. Dadurch weist der Flattop-Laserstrahl 10‘ eine geringere Kantensteilheit auf.
In Figur 4A ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gezeigt. Im Unterschied zur Figur 2A ist die erste Linse 30 der Fokussiervorrichtung 3 eine Zylinderlinse. Eine Zylinderlinse fokussiert den Laserstrahl 10 lediglich in einer Richtung. Dementsprechend ist die so mit der Laserleistung beaufschlagte Fläche kleiner als die Fläche, die in Figur 2A beaufschlagt wird. Die Leistung wird demnach auf eine geringere Fläche verteilt und die Intensität in der Fokusebene wird größer. Das ermöglicht insbesondere auch eine Materialbearbeitung mit leistungsschwächeren Lasersystemen.
Zudem weist Figur 4A zusätzlich ein erstes Teleskop 60 vor der Strahlformungsvorrichtung 6 und ein zweites Teleskop 62 nach der Strahlformungsvorrichtung 6 auf. Ein solcher Aufbau ist hierbei selbstverständlich auch bei Figur 2A möglich.
Das erste Teleskop 62 kann dazu eingerichtet sein, den Strahldurchmesser des einfallenden Laserstrahls 10 auf die Strahlformungsvorrichtung 6 einzustellen. Wie in Figuren 3A, B, C gezeigt, kann durch das Einstellen des Strahldurchmessers vor der Strahlformungsvorrichtung 6 die Intensitätsverteilung des auslaufenden Laserstrahls eingestellt werden.
Das zweite Teleskop 62 kann dazu eingerichtet sein, die Größe des ausgeleuchteten Bereichs auf der Streuscheibe 2 einzustellen. Dadurch kann insbesondere zusätzlich zur Fokussieroptik 3 auch die Größe der Fokuszone 120 auf dem Werkstück eingestellt werden. Das zweite Teleskop 62 kann beispielsweise als einfaches Teleskop mit zwei Linsen nach Galilei ausgeführt werden, oder aber auch als flexibles Teleskop mit drei Linsen und somit mit variabler Vergrößerung und Divergenzanpassung.
In Figuren 4B und 4C sind die Streuscheibe 2 und 2‘ gezeigt, die als Phasenplatten ausgeprägt sind. Insbesondere weisen die Phasenplatten ein lediglich eindimensionales binäres Muster auf, wodurch der Laserstrahl 10 auch lediglich in einer Richtung gestreut wird. Es ist aber auch möglich, dass beide Phasenplatten oder auch nur eine der beiden Phasenplatte ein zweidimensionales Muster aufweisen, wie in Figur 1 B dargestellt.
In Figuren 4D und 4E sind die Intensitätsverläufe in der Fokusebene 12 dargestellt, wie sie mit einer Vorrichtungen nach Figur 4A erzeugt werden. Hierbei zeigen die Figuren 4D und 4E zwei verschiedene Intensitätsverläufe wie sie nach einer Rotation oder Verschiebung der Streuscheiben 2, 2‘ erzeugt werden können. In den Figuren 4D, 4E beträgt ist die Fokuszone durch die Zylinderlinse nur etwa 2mm breit und 30pm hoch. Dadurch wird die Leistung des Lasers auf eine Fläche von nur etwa 0,06mm2 verteilt. Die Leistungsdichte, beziehungsweise die Fluenz, ist bei der eingesetzten Zylinderlinse in der Fokuszone also mehr als 10 mal so groß, wie in Figuren 2B, D.
Um den Intensitätsverlauf des gestreuten Laserstrahls 10 in der Fokusebene 12 besonders einfach zu randomisieren können beispielsweise die erste und die zweite Streuscheibe 2, 2‘ gegeneinander rotiert werden, wie in Figur 5A gezeigt. Insbesondere können beide Streuscheiben 2, 2‘ mit unterschiedlichen Rotationsfrequenzen rotiert werden. Es ist auch möglich, dass lediglich eine der beiden Streuscheiben 2, 2‘ rotiert wird.
Ebenso ist es möglich, dass die Vorrichtung drei Streuscheiben 2, 2‘, 2“ aufweist, wie in Figur 5B gezeigt. Alle drei Streuscheiben können auch parallel zueinander entlang verschiedener Achsen verschoben werden, um eine weitere Randomisierung zu erreichen. Insbesondere können die Streuscheiben entlang der verschiedenen Achsen hin- und her oszilliert werden, bevorzugt mit verschiedenen Frequenzen.
Ebenso ist es möglich, dass eine Streuscheibe verschoben wird und eine andere Streuscheibe rotiert wird (nicht gezeigt).
In Figur 5C ist eine weitere mögliche Ausführungsform gezeigt, bei der beide Streuscheiben 2, 2‘ reflektiv ausgebildet sind. Beispielsweise trifft der Laserstrahl 10 unter einem Winkel auf die erste Streuscheibe 2, und wird dann auf die Streuscheibe 2‘ reflektiert und dabei gestreut. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, bis der gestreute Laserstrahl 10 von der zweiten Streuscheibe 2‘ in Richtung Fokussiervorrichtung 3 gestreut wird. Die erste oder die zweite oder beide Streuscheiben können dabei eine Verstellmechanik 20 aufweisen, so dass der Laserstrahl 10 an unterschiedlichen Stellen auf die jeweilige Streuscheibe 2, 2‘ trifft und somit die Intensitätsverteilung in der Fokusebene 12 weiter randomisiert wird.
In der Figur 6A ist eine weitere Ausführungsform zur weiteren Randomisierung der Intensitätsverteilungen gezeigt. Der einfallende Laserstrahl 10 wird von einem ersten Scanner 50 abgelenkt und durch eine erste Linse geleitet, sowie eine erste Streuscheibe 2 und zweite Streuscheibe 2‘ und eine zweite Linse, bevor der gestreute Laserstrahl durch einen weiteren Scanner 50‘ erneut abgelenkt wird. Durch den ersten Scanner 50 kann der Laserstrahl 10 auf verschiedene Bereiche auf den Streuscheiben 2, 2‘ gelenkt werden, wobei durch den zweiten Scanner 50‘, der mit dem ersten Scanner 50 synchronisiert sein kann, der Ortsversatz durch die Ablenkung ausgeglichen werden kann.
In Figur 6B ist gezeigt, dass die zweite Hälfte des Strahlengangs der Figur 6A auch durch einen Spiegel 52 ersetzt werden kann, der beispielsweise hinter der ersten Streuscheibe 2 angeordnet ist.
Es ist aber auch möglich wie in Figur 6C gezeigt, dass lediglich ein Scanner 50 vor der Streuscheibe 2 angeordnet ist, und anschließend ein Teleskop bestehet aus zwei Linsen, den gestreuten Laserstrahl 10 abbildet.
In Figur 7A ist ein entsprechendes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks 4 gezeigt. Hierbei werden mit einem Laser 1 Laserpulse 100 abgegeben, die einen Laserstrahl 10 ausbilden. Der Laserstrahl 10 wird durch mindestens eine Streuscheibe 2 gestreut und mit einer Fokussieroptik 3 auf die Oberfläche 40 des Werkstücks 4 fokussiert. Der Laserstrahl 10 beaufschlagt das Werkstück 4 in der Fokusebene 12, wodurch es bearbeitet wird. Die Intensitätsverteilung des Laserstrahls ist in der Fokusebene 12 örtlich randomisiert, so dass die Oberfläche 40 des Werkstücks 4 beispielsweise funktionalisiert werden kann, insbesondere mit einer Antiglare-Funktionalisierung versehen werden kann.
Das Werkstück 4 wird mit einer Vorschubvorrichtung 5 verschoben, so dass die Fokuszone 120 des Laserstrahls 10 die gesamte Oberfläche 40 oder einen Teil der Oberfläche 40 des Werkstücks 4 sukzessiv überstreicht. Die Fokuszonen 120 der verschiedenen Laserpulse 100 können hierbei überlappen. Dies bedeutet insbesondere, dass ein erster Laserpuls 100 in eine erste Fokuszone 120 an einem ersten Ort x in das Material des Werkstücks 4 eingebracht wird, während ein zweiter Laserpuls 100‘ in einer zweiten Fokuszone 120‘ an einem zweiten Ort x‘ in das Material des Werkstücks 4 eingebracht wird.
Wenn die verschiedenen Fokusebenen 12, 12‘ verschiedene randomisierte Intensitätsverteilungen aufweisen sollen, dann können die Streuscheiben 2, 2’ der Vorrichtung relativ zueinander rotiert oder verschoben werden. Dadurch werden auch bei einem gleichmäßigen Vorschub kein gleichmäßigen Materialmodifikationen auf der Oberfläche 40 des Werkstücks 4 erzeugt, so dass das Ausbilden von störenden Interferenz- oder Beugungsmuster beim Betrachten der Oberfläche vermieden werden. In Figur 7B ist gezeigt, dass die verschiedenen Fokuszonen 120, 120‘ der nacheinander mit dem zeitlichen Pulsabstand tO eingebrachten Laserpulse 100, 100‘ überlappen können, um so eine möglichst flächige Bearbeitung des Werkstücks 4 vorzunehmen. Zwischen den Laserpulsen 100, 100‘ kann die Streuung des Laserstrahls 10 durch eine entsprechende relative Bewegung der Streuscheiben 2, 2‘ verändert werden, um so ein inhomogene Materialbearbeitung zu erreichen.
Bei einer Repetitionsrate von 10 kHz des Lasers und einem Durchmesser der Fokuszone von 1 mm kann die Vorschubgeschwindigkeit also bis zu 10m/s betragen, so dass die Oberfläche eines Werkstücks sehr schnell bearbeitet werden kann.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Figure imgf000025_0001
1 Laser
10 Laserstrahl
12 Fokusebene
120 Fokuszone
100 Laserpuls
102 Teillaserstrahlen
2 Streuscheibe
20 Verstellmechanismus
3 Fokussieroptik
30 erste Linse
32 zweite Linse
4 Werkstück
40 Werkstückoberfläche
5 Vorschubvorrichtung
50 Scannervorrichtung
52 Achssystem
6 Strah Ifo rmu ngsvorrichtu ng
60 ersten Teleskop
62 zweites Teleskop
V Vorschub

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (4), insbesondere zum Aufprägen einer Antiglare-Funktionalisierung, mittels Laserpulsen (100) eines Lasers (1), umfassend einen Laser (1), insbesondere einen Kurzpulslaser oder einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (10) mit Laserpulsen (100) bereitzustellen, mindestens eine Streuscheibe (2), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) zu streuen, mindestens eine Fokussieroptik (3), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in eine Fokuszone (120) in der Fokusebene (12) auf dem Werkstück (4) zu fokussieren, wobei das Werkstück (4) mit dem Laserstrahl (10) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuscheibe (2) dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (10) in der Fokusebene (12) eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung aufzuprägen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Streuscheibe (2) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in Transmission oder in Reflexion zu streuen.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Streuscheibe (2) ein Phasenmuster, insbesondere ein binäres Phasenmuster, aufweist, dass dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (10) eine ortsabhängige Phasendifferenz aufzuprägen, insbesondere wobei das Phasenmuster in einer oder zwei Dimensionen ausgeprägt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuscheibe (2) ein räumlicher Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Streuscheiben (2, 2‘), die den Laserstrahl (10) nacheinander streuen, wobei eine erste Streuscheibe (2) relativ zu einer zweiten Streuscheibe (2‘) bewegt werden kann, insbesondere rotiert oder verschoben werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) und das Werkstück (4) relativ zueinander mit einem Vorschub (V) zu bewegen, wobei die Vorschubvorrichtung ein Scannervorrichtung (50) und/oder ein Achssystem (52) umfasst, wobei die Scannervorrichtung bevorzugt einen AOM und/oder einen Galvano-Scanner und/oder einen Polygonscanner umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (3) mindestens eine erste Linse (30) mit einer ersten Brennweite und eine zweite Linse (32) mit einer zweiten Brennweite aufweist, wobei die erste Linse (30) in einem Abstand der ersten Brennweite zur Streuscheibe (2) angeordnet ist, wobei die zweite Linse (32) zum Werkstück (4) in einem Abstand der zweiten Brennweite angeordnet ist und wobei die erste Linse (30) und die zweite Linse (32) in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe der Brennweiten der ersten Linse (30) und der zweiten Linse (32) entspricht.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (3) eine Zylinderlinse umfasst, die dazu eingerichtet ist, auf dem Werkstück (4) eine linienförmige Fokuszone (120) zu erzeugen.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlformungsvorrichtung (6), die dazu eingerichtet ist dem Laserstrahl (10) eine Strahlform aufzuprägen, insbesondere eine Flat-Top Strahlform aufzuprägen, wobei die Strahlformungsvorrichtung (6) bevorzugt vor der ersten Streuscheibe (2) angeordnet wird.
10. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (4), insbesondere zum Aufprägen einer Antiglare-Funktionalisierung, mittels Laserpulse (100) eines Lasers (1), insbesondere eines Kurzpulslasers oder Ultrakurzpulslasers, wobei der Laserstrahl (10) mit den Laserpulsen von mindestens einer Streuscheibe (2) gestreut wird, wobei der gestreute Laserstrahl von einer Fokussieroptik (3) in eine Fokuszone (120) in einer Fokusebene (12) auf dem Werkstück (4) fokussiert wird, wobei das Werkstück (4) mit dem Laserstrahl (10) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (10) in der Fokusebene (12) durch die Streuscheibe (2) eine örtlich randomisierte Intensitätsverteilung aufgeprägt wird.
11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Streuscheiben (2, 2’) relativ zueinander bewegt werden, wobei die örtlich randomisierte
Intensitätsverteilung eine entsprechend randomisierte Veränderung erfährt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) und der Laserstrahl (10) relativ zueinander entlang einer Vorschubtrajektorie verschoben werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fokuszone (120) verschiedener, insbesondere sukzessiver Laserpulse (100) überlappen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuszonen (120) einen flächenmäßigen Abschnitt des Werkstücks (4) bedecken.
15. Werkstück (4) mit einer durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14 hergestellten Antiglare-Funktionalisierung, wobei die direkte Reflexion von Licht an dem
Werkstück weniger als 50% beträgt und/oder der Sparkle der Oberfläche mit der Antiglare- Funktionalisierung weniger als 5% beträgt und/oder die Distinctness of Image mehr als 70% beträgt und/oder die Diffusion mehr als 22% beträgt.
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