DE102019135283A1

DE102019135283A1 - Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung und Laserbearbeitungsanlage

Info

Publication number: DE102019135283A1
Application number: DE102019135283.5A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kleiner; Daniel Flamm
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: WO2021122894A1; KR20220110566A; CN114829054B; KR102719210B1; CN114829054A; EP4076828A1; US20220297229A1

Abstract

Ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials (109) durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten (125A, 125B) des Materials (9) mit gepulsten Laserstrahlen umfasst die Schritte: Bearbeiten des Materials (109) mit einem ersten gepulsten Laserstrahl (103) zum Erzeugen von ersten Modifikationen (119, 143), wobei die ersten Modifikationen (119, 143) eine Abschirmfläche (115) ausbilden, Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine Fokuszone (107') ausbildet, die durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113') zuläuft, und Bearbeiten des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103'), indem die Fokuszone (107') relativ zum Material (109) zum Erzeugen von zweiten Modifikationen (119') in einem zweiten Abschnitt (125B) des Materials (109) bewegt wird, wobei mindestens ein Teil der unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113') zulaufende Laserstrahlung auf die Abschirmfläche (115) trifft. Die Abschirmfläche (115) kann die konstruktive Interferenz eines Teils der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der auf die Abschirmfläche (115) trifft, mit einem Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der nicht auf die Abschirmfläche (115) trifft, stören und insbesondere unterdrücken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsanlage.
Ein Werkstück kann allgemein durch eine das Material des Werkstücks modifizierende Wechselwirkung von Laserstrahlung mit dem Material des Werkstücks bearbeitet werden. Wird Laserstrahlung im Volumen des Materials absorbiert (sogenannte Volumenabsorption), können mit der Laserstrahlung lokalisierte Modifikationen in das Material des Werkstücks und damit in das Innere des Werkstücks eingebracht werden. Dabei besteht das Werkstück aus einem zumindest teilweise transparenten Material.
Allgemein kann eine räumlich definierte Volumenabsorption durch eine Nutzung von nichtlinear induzierter Absorption begünstigt werden, bei der erst ab einer materialabhängigen (Schwellen-) Intensität eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material stattfindet. Dabei hat das Material typischerweise eine geringe lineare Absorption. Unter nichtlinear induzierter Absorption wird hierin eine intensitätsabhängige Absorption von Licht verstanden, die primär nicht auf der direkten Absorption des Lichts, sondern auf einer Multiphotonen- und/oder Tunnelionisation induzierten Absorption basiert. So basiert die nichtlinear induzierte Absorption auf einer Steigerung der Absorption während der Wechselwirkung mit dem einfallenden Licht, meist ein zeitlich begrenzter Laserpuls. Dabei können Elektronen z.B. durch inverse Bremsstrahlung so viel Energie aufnehmen, dass durch Stöße weitere Elektronen freigesetzt werden und die Rate der Elektronenerzeugung die Rate der Rekombination übersteigt. Die für die lawinenartig zunehmende Absorption erforderlichen Startelektronen können bereits zu Beginn vorliegen oder sie können z.B. durch eine vorhandene (lineare) Restabsorption generiert werden. Beispielsweise kann bei ns-Laserpulsen eine Anfangsionisation zu einer Temperaturerhöhung führen, durch die die Zahl der freien Elektronen und damit die nachfolgende Absorption ansteigen. Bei sub-ns-Pulsdauern können Startelektronen durch Mehrphotonen- oder Tunnelionisation als Beispiele für bekannte nichtlineare Absorptionsmechanismen generiert werden.
Eine Volumenabsorption kann bei für den Laserstrahl transparenten Materialen zur Ausbildung einer Modifikation des Materials in einer langgezogenen Fokuszone eingesetzt werden, siehe z.B. WO 2016/079062 A1 der Anmelderin. Derartige Modifikationen können ein Trennen, Bohren oder Strukturieren des Materials ermöglichen. Zum Trennen können beispielsweise Reihen von Modifikationen erzeugt werden, die ein Brechen innerhalb oder entlang der Modifikationen auslösen. Ferner ist es bekannt, zum Trennen, Bohren und Strukturieren Modifikationen zu generieren, die ein selektives Ätzen der modifizierten Bereiche ermöglichen (SLE: selective laser etching).
Die Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone kann z.B. mithilfe von apodisierten Bessel-Strahlen (hierin auch als Quasi-Bessel-Strahlen bezeichnet) erfolgen. Eine langgezogene Fokuszone erstreckt sich entlang einer Fokuszonenachse und wird im Fall von Quasi-Bessel-Strahlen durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet, die unter einem Winkel zur Fokuszonenachse verläuft.
Quasi-Bessel-Strahlen können beispielsweise mit einem Axicon oder einem räumlichen Lichtmodulator (SLM: spatial light modulator) und einem einfallenden Laserstrahl mit einem Gaußschen Strahlprofil geformt werden. Eine anschließende Abbildung in ein transparentes Werkstück führt zu den für die Volumenabsorption erforderlichen Intensitäten in der langgezogenen Fokuszone. Quasi-Bessel-Strahlen weisen - wie Bessel-Strahlen - üblicherweise eine ringförmige Intensitätsverteilung im Fernfeld auf. Man unterscheidet zwischen Fokuszonen, die einen definierten Anfang aufweisen (konventionelle Quasi-Bessel-Strahlen), und Fokuszonen, die ein definiertes Ende aufweisen (inverse Quasi-Bessel-Strahlen), je nachdem, ob der Anfang oder das Ende einer Fokuszone auf die konstruktive Interferenz von Laserstrahlung zurückgeht, die den Zentralbereich der ringförmigen Intensitätsverteilung (nahe der Fokuszonenachse) bildet. Ferner können die Intensitätsverteilungen in Ausbreitungsrichtung geformt werden, beispielsweise wird in sogenannten homogenisierten (inversen) Bessel-Strahlen der Intensitätsverlauf angeglichen (homogenisiert).
Entlang der Fokuszonenachse kann das Intensitätsprofil insofern derart geformt werden, dass sich im Material entlang der Fokuszonenachse einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material ergibt.
Ferner können mit Gauß-förmigen Strahlprofilen in Ausbreitungsrichtung räumlich begrenzte Modifikationen erzeugt werden, die im Vergleich zu den angesprochenen langgezogenen Fokuszonen als punktförmig angesehen werden können.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, geformte Trennkantenverläufe beim Trennen eines zumindest teilweise transparenten Materials in mehrere Werkstücke zu ermöglichen. Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, Nachbearbeitungsschritte bei der Bearbeitung transparenter Werkstoffe zu reduzieren, zu vereinfachen oder gar zu vermeiden.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt wird ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine erste Fokuszone ausbildet,
Bearbeiten des Materials mit dem ersten gepulsten Laserstrahl zum Erzeugen von ersten Modifikationen, wobei die erste Fokuszone relativ zum Material zum Modifizieren eines ersten Abschnitts des Materials bewegt wird, sodass die ersten Modifikationen eine Abschirmfläche ausbilden,
Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine zweite Fokuszone ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse zuläuft, und
Bearbeiten des Materials mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl, indem die zweite Fokuszone relativ zum Material zum Erzeugen von zweiten Modifikationen in einem zweiten Abschnitt des Materials bewegt wird, wobei mindestens ein Teil der unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse zulaufende Laserstrahlung auf die Abschirmfläche trifft.

In einem weiteren Aspekt wird eine Laserbearbeitungsanlage für die Bearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen offenbart. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine erste Fokuszone ausbildet, die optional als Gauß-Fokuszone oder entlang einer ersten Fokuszonenachse langgezogene Fokuszone ausgebildet ist und an einem Anfang und/oder an einem Ende der ersten Fokuszone einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material entlang der ersten Fokuszonenachse einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, und zum Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine zweite Fokuszone ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse verläuft. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst ferner eine Werkstücklagerungseinheit zur Lagerung des Materials als Werkstück und eine Steuerungseinheit, die zur Durchführung des hierin offenbarten Verfahrens ausgebildet ist. Dabei ist die Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen dem Material und den Fokuszonen des ersten gepulsten Laserstrahls und des zweiten gepulsten Laserstrahls sowie für eine Ausrichtung des zweiten gepulsten Laserstrahls hinsichtlich der Abschirmfläche ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen kann während des Bearbeitens des Materials mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl jeweils die zweite Fokuszonenachse zur Abschirmfläche derart ausgerichtet werden, dass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls hinter der Abschirmfläche (115) gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl (103') die zweite Modifikation (119') nur bis zur Abschirmfläche (115) ausbildet. Optional kann nur ein Teil des zweiten gepulsten Laserstrahls auf die Abschirmfläche treffen, sodass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der auf die Abschirmfläche trifft, mit einem Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der nicht auf die Abschirmfläche trifft, gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl die zweite Modifikation (nur) bis zur Abschirmfläche ausbildet und der zweite Abschnitt bevorzugt in den ersten Abschnitt mündet. Insbesondere kann die zweite Fokuszonenachse die Abschirmfläche tangieren oder durch die Abschirmfläche verlaufen.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Fokuszone entlang einer ersten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet sein und an einem Anfang und/oder an einem Ende der ersten Fokuszone einen Intensitätsanstieg ausbilden, der im Material entlang der ersten Fokuszonenachse einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt. Die Abschirmfläche kann im Material durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt werden, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material verlaufende Abschirmkante darstellen können. Ferner kann die zweite Fokuszone derart relativ zum Material bewegt werden, dass die zweite Fokuszonenachse nahe der Abschirmkante oder durch die Abschirmkante oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmkante erstreckt, oder durch die Abschirmfläche verlaufen. Dabei kann der zweite gepulste Laserstrahl während des Bearbeitens des Materials mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl derart ausgerichtet werden, dass die zweite Fokuszone jeweils in der Abschirmfläche mündet und/oder die zweite Fokuszonenachse durch die Abschirmkante verläuft. Alternativ oder zusätzlich kann der Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material in der ersten Fokuszone derart räumlich begrenzt werden, dass der Übergang sich entlang der Fokuszonenachse über eine Länge in einem Bereich zwischen 1 µm und 200 µm, typischerweise zwischen 5 µm und 50 µm oder zwischen 10 µm und 30 µm erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann der erste gepulste Laserstrahl und/oder der zweite gepulste Laserstrahl derart erzeugt werden, dass die erste Fokuszone und/oder die zweite Fokuszone (107') ein Aspektverhältnis aufweist, das mindestens 10:1 ist und/oder dass die erste Fokuszone und/oder die zweite Fokuszone eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der eine Modifikation bewirkenden Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger, z.B. 20 % und weniger oder 10 % und weniger aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der erste gepulste Laserstrahl und/oder der zweite gepulste Laserstrahl derart erzeugt werden, dass die erste Fokuszone und/oder die zweite Fokuszone in ihrer axialen Ausdehnung am Anfang und/oder am Ende durch eine Phasenmodulation eines einfallenden Laserstrahls bestimmt wird, wobei die Phasenmodulation zur Ausbildung einer Bessel-Strahlfokuszone ausgebildet ist und insbesondere einen in radialer Richtung variierenden Axicon-Phasenbeitrag auf den einfallenden Laserstrahl aufprägt und wobei die Phasenmodulation auf einen radialen Bereich beschränkt ist, wobei optional der einfallende Laserstrahl zur Beschränkung auf den radialen Bereich in einem radial innen liegenden Bereich und/oder in einem radial außen liegenden Bereich mit einer Strahlblende wechselwirkt, insbesondere mit einer Amplituden-Blende geblockt oder mit einer Phasen-Blende gestreut wird, oder wobei optional der einfallende Laserstrahl nur im radialen Bereich ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Fokuszone mit einem Gauß-Laserstrahl ausgebildet werden, sodass die ersten Modifikationen in ihrer Geometrie einer Gauß-Fokuszone entsprechen, im Material die ersten Modifikationen in einem Raster angeordnet werden und das Raster die Abschirmfläche ausbildet. Dabei kann die zweite Fokuszone derart relativ zum Material bewegt werden, dass die zweite Fokuszonenachse durch die Abschirmfläche oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmfläche erstreckt, oder in einem Randbereich der Abschirmfläche verläuft.
In einigen Ausführungsformen kann der zweite gepulste Laserstrahl bei einem Einstrahlen in das Material an einem Anfang der zweiten Fokuszone einen Intensitätsanstieg ausbilden, der im Material entlang der zweiten Fokuszonenachse einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, sodass Materialbereiche, die durch Laserpulse des zweiten gepulsten Laserstrahls modifiziert wurden, eine weitere Abschirmfläche ausbilden, die im Material durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt wird, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material verlaufende weitere Abschirmkante darstellen. Ferner kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen:

Erzeugen eines dritten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine dritte Fokuszone ausbildet, die entlang einer dritten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse verläuft, und
Bearbeiten des Materials mit dem dritten gepulsten Laserstrahl, indem die dritte Fokuszone relativ zum Material zum Modifizieren eines dritten Abschnitts des Materials derart bewegt wird, dass die dritte Fokuszonenachse nahe der weiteren Abschirmkante oder durch die weitere Abschirmkante verläuft.

In einigen Ausführungsformen kann der erste Abschnitt und der zweite Anschnitt zumindest teilweise eine Trennkonturfläche im Material ausbilden. Ferner kann das Verfahren umfassen: Trennen des Materials entlang der Trennkonturfläche, wobei insbesondere der erste Abschnitt oder der zweite Abschnitt zur Ausbildung einer langen Fase oder einer Mikrofase führen und/oder wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt zur Ausbildung einer Aussparung im Material führen. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt eine Anschlussfläche definiert, die in die Abschirmfläche übergeht, sodass sich nach erfolgter Trennung des Materials in zwei Teile bei einem der Teile eine Kante entlang der räumlich definierten Übergänge ausbildet.
In einigen Ausführungsformen kann der zweite gepulste Laserstrahl und optional der erste gepulste Laserstrahl ein Quasi-Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweist, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laserstrahlung Beiträge zu einem strahl aufwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone liefert. Ferner kann der zweite gepulste Laserstrahl und optional der erste gepulste Laserstrahl ein inverses Quasi-Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweisen, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laserstrahlung Beiträge zu einem strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone liefert.
In einigen Ausführungsformen der Laserbearbeitungsanlage kann die Steuerungseinheit zur Einstellung einer Position der Fokuszone, insbesondere einer Position eines Endes der langgezogenen Fokuszone, bezüglich der Werkstücklagerungseinheit und/oder zur Einstellung eines Parameters des Laserstrahls ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Laserstrahlquelle ferner dazu ausgebildet sein, Laserstrahlung zu erzeugen, die das Material durch nichtlineare Absorption modifiziert.
Die Laserbearbeitungsanlage kann ferner ein optisches System mit einem Strahlformungselement umfassen, wobei das Strahlformungselement zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf einfallende Laserstrahlung ausgebildet ist. Insbesondere kann das optische System zur Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone mit einem Aspektverhältnis von mindestens 10:1 und/oder mit einer maximalen Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das optische System zur Ausbildung einer langgezogene Fokuszone, bei der nur ein Zentralbereich des Laserstrahls Beiträge zu einem strahl aufwärts oder strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone beiträgt, ausgebildet sein.
Ein räumlich definierter Übergang für Begin oder Ende eines Modifikationsabschnitts - insbesondere für die Ausbildung einer Abschirmkante durch die den Modifikationsabschnitt bildenden Modifikationen - kann mithilfe eines sehr schnellen Intensitätsanstiegs oder Intensitätsabfalls in den Fokuszonen erhalten werden. Insbesondere ein schneller Intensitätsanstieg/ -abfall kann einen räumlich wohldefinierten Anfang oder ein räumlich wohldefiniertes Ende der Modifikation bewirken, wobei dies durch nichtlineare Absorptions- und Modifikationsprozesse unterstützt werden kann. Trotzdem kann es schwierig sein, einen „harten“ Beginn/ein „hartes“ Ende einer Modifikation auszubilden oder diese bei aneinander angrenzenden Modifikationsabschnitten aufeinander abzustimmen.
Erfindungsgemäß wird für die Ausbildung derartiger Übergänge der Aspekt der Interferenz bei der Fokusbildung eines Quasi-Bessel-Strahls genutzt. So wurde erkannt, dass eine zuvor eingeschriebene Modifikationsebene zur Abschirmung genutzt werden kann, um die konstruktive Interferenz bei der Bildung einer Modifikation strahlabwärts der eingeschriebene Modifikationsebene zu unterdrücken.
Die hierin offenbarten Konzepte ermöglichen Vorteile wie eine Laserbearbeitung ohne, insbesondere schmutzige, Nachbearbeitungsschritte sowie sehr schnelle formgebende Verfahren im Vergleich zu formgebenden Verfahren, die Schleifprozesse einsetzen.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage für die Materialbearbeitung,
2 eine schematische 3D-Darstellung einer Flachbett-Laserbearbeitungsanlage,
3-6 schematische Darstellungen von Intensitätsverteilungen in langgezogenen Fokuszonen, die auf verschiedenen Typen von Quasi-Bessel-Strahlen basieren,
7A eine Skizze zur Verdeutlichung eines ersten Bearbeitungsschritts,
7B eine Skizze zur Verdeutlichung eines zweiten Bearbeitungsschritts,
7C weitere Skizzen zur Verdeutlichung des zweiten Bearbeitungsschritts,
7D einen Schnitt durch das Material nach erfolgtem zweiten Bearbeitungsschritt zur Verdeutlichung der resultierenden Modifikation,
7E eine schematische Darstellung eines sich ergebenden Werkstücks nach Trennung des Materials entlang der in 7D verdeutlichten Modifikation,
8 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Werkstücks, bei dem die Fokuszonen nicht erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt wurden,
9 eine Skizze zur Verdeutlichung einer alternativen Sequenz von zwei Bearbeitungsschritten und
10A eine Skizze zur Verdeutlichung einer Materialbearbeitung mit einer Sequenz von drei Bearbeitungsschritten mit langgezogenen Fokuszonen,
10B eine Skizze zur Verdeutlichung einer Materialbearbeitung mit zwei Bearbeitungsschritten mit langgezogenen Fokuszonen und einem Bearbeitungsschritt mit Gauß-Strahl-Fokuszonen und
11 eine Skizze zur Verdeutlichung einer Einstellbarkeit von Anfang, Ende und Länge einer Bessel-Strahl-Fokuszone.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein exaktes Aneinanderreihen von Start- und Endpunkten unterschiedlicher Modifikationen nicht möglich ist, wenn die Intensität entlang der Fokuszonenachse innerhalb der Fokuszone typischer Weise relativ flach ansteigt und wieder abfällt. Die Erfinder haben erkannt, dass bei Fokuszonen, die durch konstruktive Interferenz von zusammenlaufenden Strahlanteilen gebildet werden, eine vorausgehend erzeugte Modifikation die Interferenz beeinflussen kann. So wurde erkannt, dass insbesondere bei räumlich schnellen Übergängen von modifiziertem Material zu nicht-modifiziertem Material auch nur ein Strahlanteil durch die vorausgehend erzeugte Modifikation beeinflusst werden kann, wodurch die Interferenz reduziert bzw. vermieden werden kann. Zusammengefasst kann eine Modifikation dazu genutzt werden, die Ausbildung einer weiteren Modifikation räumlich zu begrenzen.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil ferner auf der Erkenntnis, dass eine laterale Energiezufuhr in eine langgezogene Fokuszone aktiv durch Abschirmeffekte unterdrückt werden kann, die die konstruktive Interferenz beeinflussen.
Die sich aus diesen Erkenntnissen ergebenden Systeme und Verfahren können unter anderem ein Trennen von transparenten, sprödharten Materialien mit hoher Geschwindigkeit und bei guter Qualität der Schnittkante ermöglichen.
Mit Bezugnahme auf die 1 bis 6 wird im Folgenden allgemein das zugrunde liegende optische System erläutert. Anschließend werden beispielhafte Ausführungsformen der Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen beschrieben (siehe 7A bis 10B). 11 erläutert zusätzlich die Beeinflussung der axialen Ausdehnung einer langgezogenen Fokuszone durch eine Strahlblende im Bereich der Phasenaufprägung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Laserstrahlquelle 1A und einem optischen System 1B zur Strahlformung eines Laserstrahls 3 der Strahlquelle 1A mit dem Ziel, eine Fokuszone 7, die entlang einer ersten Fokuszonenachse 5 langgezogen ausgebildet ist, in einem zu bearbeitenden Material 9 zu erzeugen. Die Laserbearbeitungsanlage 1 kann ferner eine Strahlausrichtungseinheit und eine Werkstücklagerungseinheit (nicht explizit in 1 gezeigt) aufweisen.
Allgemein wird der Laserstrahl 3 durch Strahlparameter wie Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Ausbildung von Pulsgruppen, Strahldurchmesser und Polarisation bestimmt. Üblicherweise wird der Laserstrahl 3 ein kollimierter Gaußscher Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil sein, der von der Laserstrahlquelle 1A, beispielsweise einem Ultrakurzpuls-Hochleistungslasersystem, erzeugt wird. Das optische System 1B formt aus dem Gaußschen Strahl ein Strahlprofil, das die Ausbildung der langgezogenen Fokuszone 7 ermöglicht; z.B. wird ein gewöhnliches oder inverses Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil mit einem Strahlformungselement 11 erzeugt, das zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf die einfallende Laserstrahlung z.B. als ein Hohlkegel-Axicon, ein Hohlkegel-Axicon-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System oder ein, insbesondere programmierbares oder fest-eingeschriebenes, diffraktives optisches Element, insbesondere als ein räumlicher Lichtmodulator, ausgebildet ist. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Systems wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 A1 verwiesen.
Die langgezogene Fokuszone 7 bezieht sich hierin auf eine durch das optische System 1B bestimmte dreidimensionale Intensitätsverteilung, die in dem zu bearbeitenden Material 9 das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung und damit der Modifikation mit einem Laserpuls/einer Laserpulsgruppe bestimmt. Die langgezogene Fokuszone 7 bestimmt somit einen langgezogenen Bereich, in dem im zu bearbeitenden Material eine Fluenz/Intensität vorliegt, welche über der für die Bearbeitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität liegt.
Transparenz eines Materials bezieht sich hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwellenfluenz/-intensität kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispielsweise auf einer Länge der Modifikation z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren.
Üblicherweise spricht man von langgezogenen Fokuszonen, wenn die dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonenachse (Durchmesser des on-axis-Maximums) von mindestens 10:1, beispielsweise 20:1 und mehr oder 30:1 und mehr, oder 1000:1 und mehr, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann zu einer Modifikation des Materials mit einem ähnlichen Aspektverhältnis führen. Allgemein kann bei derartigen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung, die eine Modifikation bewirkt, über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen.
Dabei kann in einer langgezogenen Fokuszone die Energie im Wesentlichen über die gesamte Länge der Fokuszone lateral zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass eine Modifikation des Materials im Anfangsbereich der Fokuszone nicht oder zumindest kaum Abschirmeffekte auf den Teil der Laserstrahlung aufweist, welche eine Modifikation des Materials strahlabwärts, d.h. z.B. im Endbereich der Fokuszone, bewirkt.
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 21 für die Materialbearbeitung. Die Laserbearbeitungsanlage 21 weist ein Trägersystem 23 (als Teil einer Strahlausrichtungseinheit) und eine Werkstücklagerungseinheit 25 auf. Das Trägersystem 23 überspannt die Werkstücklagerungseinheit 25 und trägt z.B. die Laserstrahlquelle, welche in 2 beispielsweise in einem oberen Querträger 23A des Trägersystems 23 integriert ist. Ferner kann das optische System 1B in X-Richtung verfahrbar am Querträger 23A angebracht sein. In alternativen Ausführungsformen kann beispielsweise ein Lasersystem als eigene externe Strahlquelle vorgesehen werden, dessen Laserstrahl 3 zum optischen System mittels Lichtleitfasern oder als Freistrahl geführt wird.
Die Werkstücklagerungseinheit 25 trägt ein sich in der X-Y-Ebene erstreckendes Werkstück. Das Werkstück ist das zu bearbeitende Material 9, beispielsweise eine Glasscheibe oder eine für die eingesetzte Laserwellenlänge weitgehend transparente Scheibe in keramischer oder kristalliner Ausführung wie beispielsweise Saphir oder Silizium. Die Werkstücklagerungseinheit 25 erlaubt ein Verfahren des Werkstücks in Y-Richtung relativ zum Trägersystem 23, so dass in Kombination mit der Verfahrbarkeit des optischen Systems 1B ein sich in der X-Y-Ebene erstreckender Bearbeitungsbereich zur Verfügung steht.
Gemäß 2 ist ferner eine Verschiebbarkeit in Z-Richtung z.B. des optischen Systems 1B oder des Querträgers 23A vorgesehen, um den Abstand zum Werkstück einstellen zu können. Für einen in Z-Richtung verlaufenden Schnitt wird der Laserstrahl üblicherweise auch in Z-Richtung (d.h. normal) auf das Werkstück gerichtet (Fokuszonenachse 5A in 2). Weitere Bearbeitungsachsen, die in 2 beispielhaft durch eine Auslegeranordnung 27 und zusätzliche Rotationsachsen 29 angedeutet sind, erlauben es, den austretenden Laserstrahl und damit die Fokuszonenachse im Raum auszurichten. Eine zur X-Y-Ebene geneigte Fokuszonenachse 5B ist beispielhaft in 2 angedeutet.
Die Laserbearbeitungsanlage 21 weist ferner eine Steuerungseinheit 31 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametern durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerungseinheit 31 Elemente zum Ansteuern von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 21, beispielsweise durch Ansteuern entsprechender Betriebsparameter des Lasersystems wie z.B. Pumplaserleistung, und der Werkstückhalterung, elektrische Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Elements (beispielsweise zur Drehung der Fokuszonenachse).
Beispielhafte Laserstrahlparameter für z.B. Ultrakurzpulslasersysteme und der langgezogenen Fokuszone, die im Rahmen dieser Offenbarung eingesetzt werden können, sind:

Pulsenergie E_p: 1 µJ bis 20 mJ (z.B. 20 µJ bis 1000 µJ),
Energie einer Pulsgruppe Eg: 1 µJ 20 mJ
Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 µm > λ > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
Pulsdauer (FWHM): 10 fs bis 50 ns (z.B. 200 fs bis 20 ns)
Einwirkdauer (abhängig von Vorschubgeschwindigkeit): kleiner 100 ns (z.B. 5 ps - 15 ns) Tastverhältnis (Einwirkdauer zur Repetitionszeit des Laserpulses/der Pulsgruppe): kleiner gleich 5 %, z.B. kleiner gleich 1 %
Rohstrahldurchmesser D (1/e²) bei Eintritt in optisches System: z.B. im Bereich von 1 mm bis 25 mm
Länge des Strahlprofils (der Fokuszone) im Material: größer 20 µm
Maximale laterale Ausdehnung des Strahlprofils im Material, ggf. in der kurzen Richtung: kleiner 20 λ
Aspektverhältnis: größer 20
Vorschub d_v zwischen zwei benachbarten Modifikationen z.B. für trennende Anwendung: 100 nm < d_v < 10 * laterale Ausdehnung in Vorschubrichtung
Vorschub während Einwirkdauer: z.B. kleiner 5 % der lateralen Ausdehnung in Vorschubrichtung

Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Laserpuls und die Einwirkdauer auf einen zeitlichen Bereich, in dem z.B. eine Gruppe von Laserpulsen zur Bildung einer einzigen Modifikation an einem Ort mit dem Material wechselwirkt. Dabei ist die Einwirkdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, so dass alle Laserpulse eine Gruppe zu einer Modifikation an einem Ort beitragen.
Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Bearbeitung von Materialdicken bis zu beispielsweise 5 mm und mehr (typisch 100 µm bis 1,1 mm) erlauben. Für weitere Details einer beispielhaften Laserbearbeitungsanlage wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 A1 verwiesen.
Allgemein gilt für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe mittels langgezogener Volumenabsorption, dass, sobald eine Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die resultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflussen kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem Winkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zuzuführen. Ein Beispiel hierfür ist der (konventionelle) Quasi-Bessel-Strahl, bei dem eine ringförmige Fernfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist. Radiale Strahlanteile werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse dabei im Wesentlichen mit diesem Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Das gleiche gilt für den inversen Quasi-Bessel-Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte oder modulierte (inverse) Quasi-Bessel-Strahlen.
3 verdeutlicht beispielhaft eine longitudinale Intensitätsverteilung 61, wie sie in der langgezogenen Fokuszone 7 vorliegen kann. Die Intensitätsverteilung 61 wurde für eine inverse Quasi-Bessel-Strahlform berechnet. Aufgetragen ist eine normierte Intensität I in Z-Richtung. Es sei angemerkt, dass eine Ausbreitungsrichtung gemäß einem normalen Einfall (in Z-Richtung) auf das Material 9 nicht zwingend ist und, wie in Zusammenhang mit 2 erläutert, alternativ unter einem Winkel zur Z-Richtung erfolgen kann.
Man erkennt in 3 einen zuerst langsamen Intensitätsanstieg 61A über mehrere 100 Mikrometer (anfängliche Überlagerung der niedrigen (äußeren) Intensitäten des Gaußschen Einfallsstrahls) bis zu einem Intensitätsmaximum, gefolgt von einem starken Intensitätsabfall 61B (Überlagerung der hohen (zentralen) Intensitäten des Gaußschen Einfallsstrahls). Für eine inverse Bessel-Strahlform ergibt sich in Ausbreitungsrichtung (Z-Richtung in 4) eine harte Grenze (festes Ende) der longitudinalen Intensitätsverteilung 61. Diese harte Grenze basiert darauf, dass das Ende der longitudinalen Intensitätsverteilung 61 auf die Beiträge des Strahlzentrums des einfallenden Laserstrahls zurückgeht. Für weitere Details zur inversen Bessel-Strahlform wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 A1 verwiesen.
4 zeigt einen beispielhaften X-Z-Schnitt 63 der Intensität in der Fokuszone 7 für die in 3 gezeigte longitudinale Intensitätsverteilung 61. Es wird angemerkt, dass die Graustufendarstellungen in der 4 auf einer Farbdarstellung basiert, so dass die Maximalwerte der Intensität/Amplitude im Zentrum der Fokuszone dunkel dargestellt wurden. Man erkennt die langgezogene Ausbildung der Fokuszone 7 über mehrere 100 Mikrometer bei einer transversalen Ausdehnung von einigen wenigen Mikrometer. Mit dem Schwellenwertverhalten der nichtlinearen Absorption kann ein derartiges Strahlprofil im Werkstück eine klar definierte langgezogene Modifikation bewirken, begleitet von einem räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material. Die langgezogene Form der Fokuszone 7 weist beispielsweise ein Aspektverhältnis, d.h. ein Verhältnis der Länge der Fokuszone zu einer innerhalb dieser Länge auftretenden maximalen Ausdehnung in der lateral kürzesten Richtung üblicherweise des zentralen Maximums, im Bereich von 10:1 bis 1000:1, z.B. 20:1 oder mehr, beispielsweise 50:1 bis 400:1 auf.
Zusätzlich kann eine Intensitätsmodifizierung in Ausbreitungsrichtung (Z-Richtung) genutzt werden. Dabei kann beispielsweise ein longitudinales Flat-top-Intensitätsprofil 71 über eine frei wählbare Länge in Z-Richtung (in 4 bespielhaft ein Längenbereich von ca. 200 µm in Z-Richtung) erzeugt werden, wie es in 5 zusammen mit einem X-Z-Schnitt einer beispielhaften Intensitätsverteilung 73 in der Fokuszone 7 angedeutet ist.
Zur Homogenisierung der Intensität in Z-Richtung können diffraktive optische Elemente eine digitalisierte und z.B. pixelbasierte Phasenanpassung über ein einfallendes Eingangsintensitätsprofil vornehmen. Ausgehend von dem Intensitätsverlaufs einer inversen Quasi-Bessel-Strahlform kann beispielsweise das in 5 gezeigte longitudinale Flat-Top-Intensitätsprofil 71 in der Fokuszone 7 erzeugt werden. Dazu können Intensitätsbeiträge im Ausgangsintensitätsprofil aus dem das Intensitätsmaximum und den Ausläufern des Bessel-Strahls formenden Bereich herausgenommen und durch eine Phasenänderung derart radial umverteilt werden, dass bei der späteren Fokussierung ein Intensitätsanstieg 71A und ein Intensitätsabfall 71B räumlich verkürzt werden (z.B. durch Schieben von Leistung aus den Ausläufern in den homogenisierten Bereich).
Im Bereich des Intensitätsanstieg 71A zeigt 5 einen Anstieg von 20% auf 80% der Maximalintensität in wenigen 10 µm. In Kombination mit nicht-linearer Absorption kann so im Material entlang der ersten Fokuszonenachse ein räumlich definierter Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt werden.
Auch bei derartig modifizierten inversen Quasi-Bessel-Strahl-artigen Strahlformen ist das Ende der Modifikation in Strahlausbreitungsrichtung in seiner Lage im Wesentlichen stationär, da diese Lage durch die Strahlmitte des einfallenden Laserstrahls mit Energie versorgt wird.
6 verdeutlicht eine longitudinale Intensitätsverteilung 81 in Z-Richtung eines (konventionellen) Quasi-Bessel-Strahls. Nach einem von Anfang an starken Anstieg 81A wird ein Intensitätsmaximum erreicht, ab dem die Intensität wieder abfällt. Bei niedrigen Intensitäten setzt ein langsam auslaufender Abfall 81B (auslaufender Abfall geringer Steigung) ein. Man erkennt die prinzipielle Umkehrung der longitudinalen Intensitätsverteilungen 61 und 81 der 3, bei der die „harte Grenze“ am Ende durch einen „harten Anfang“ ersetzt wird.
Für einen derartigen Quasi-Bessel-Strahl wird z.B. das Durchstrahlen eines Axicon mit einem Laserstrahl, der mit einem Gaußschen Strahlprofil einfällt, zu sich entlang der Fokuszonenachse konstruktiv überlagernden (interferierenden) Strahlbereichen führen. Zuerst erfolgt eine Überlagerung (konstruktive Interferenz) der Intensitäten des Zentralbereichs des Gaußschen Strahlprofils, danach eine Überlagerung (konstruktive Interferenz) der niedrigen (äußeren) Intensitäten des Gaußschen Strahlprofils.
6 zeigt ferner ähnlich zu 5 ein longitudinales Flat-top-Intensitätsprofil 91 in Z-Richtung eines modifizierten (konventionellen) Quasi-Bessel-Strahls, der in seiner Intensität entlang der Fokuszone homogenisiert wurde. 6 zeigt dabei wiederum einen Abfall von 80% auf 20% der Maximalintensität in wenigen Mikrometern. In Kombination mit nicht-linearer Absorption kann so im Material entlang der ersten Fokuszonenachse ein räumlich definierter Übergang von modifiziertem Material zu nicht-modifiziertem Material erzeugt werden.
Für weitere Details zur Bessel-Strahlform, insbesondere der Strahlhomogenisierung wird auf die WO 2016/079275 A1 der Anmelderin verwiesen. In diesem Zusammenhang wird zusätzlich auf die in 11 erläuterten Möglichkeiten zur Einstellung von Anfang und/oder Ende einer langgezogenen Fokuszone eines quasi-Bessel-Strahls verwiesen.
Wie zuvor und in Zusammenhang mit 11 erläutert können somit gepulste Laserstrahlen erzeugt werden, die bei einem Einstrahlen in ein teilweise transparentes Material Fokuszonen ausbilden können, die entlang einer Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet sind und an einem Anfang und/oder an einem Ende der Fokuszone (entlang der Fokuszonenachse) einen Intensitätsanstieg/-abfall ausbilden, der im Material entlang der Fokuszonenachse einen insbesondere räumlich wohldefinierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material und umgekehrt erzeugt. Der Übergang kann sich entlang der Fokuszonenachse über eine Länge in einem Bereich zwischen 1 µm und 200 µm, typischerweise zwischen 10 µm und 30 µm, erstrecken
Zusätzlich oder alternativ können die gepulsten Laserstrahlen Fokuszonen durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung ausbilden, die unter einem Winkel zur Fokuszonenachse verlaufen.
Eine Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials kann durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit derartigen gepulsten Laserstrahlen (und langgezogenen Fokuszonen) in mehreren Schritten erfolgen, die nachfolgend in Zusammenhang mit den 7A bis 7C erfolgen. Wie ferner in Zusammenhang mit 10B erläutert wird, müssen nicht alle Abschnitte mit derartigen langgezogenen Fokuszonen bewirkende Laserstrahlen erzeugt werden, sondern es können Abschnitte auch mit lokalisierten beispielsweise Gaußschen Fokuszonen ausgebildet werden.
Als Beispiel wird eine Bearbeitung zur Trennung eines Materials in zwei Teile beschrieben, wobei eine einseitige Fase an einem der Teile zur Trennfläche vorgesehen werden soll. Dies erfolgt durch Einbringen einer senkrechten und einer dazu angestellten Modifikation.
7A zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie mit einem gepulsten Laserstrahl 103, der beispielhaft ein mit einer Axicon-Optik erzeugtes (inverses) Bessel-Strahlprofil aufweist, in einem Material 109 eine langgezogene (erste) Fokuszone 107 erzeugt werden kann. In 7A ist ferner das Bessel-Strahlprofil schematisch als ringförmige transversale Intensitätsverteilung (Intensitätsring) dargestellt, die in der X-Y-Ebene liegt. Eine Propagationsrichtung 111 des Laserstrahls 103 verläuft senkrecht zu einer Oberseite 109A des Materials 109 in Z-Richtung. Der Intensitätsring läuft, wie mit Pfeilen 110 angedeutet, im Material 109 unter einem Winkel α auf die Fokuszonenachse zu, sodass die verschiedenen radialen Zonen miteinander interferieren können. Entsprechend bildet sich durch konstruktive Interferenz der verschiedenen radialen Zonen die langgezogene Fokuszone 107 beispielsweise rotationssymmetrisch entlang einer Fokuszonenachse 113 im Material 109 aus.
Die Intensität der Laserstrahlung wird derart gewählt, dass durch Volumenabsorption eine Modifikation des Materials 109 in einem der dargestellten Fokuszone 107 entsprechenden Bereich stattfindet.
Die Position der Fokuszone 107 wird derart eingestellt, dass ein Anfang 107A der Fokuszone 107 im Inneren des Materials 109 liegt, sodass sich entlang der Fokuszonenachse 113 ein räumlich definierter Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material ergibt. Insbesondere kann das Bessel-Strahlprofil derart moduliert werden, dass sich ein scharfer Startpunkt (Anfang 107A) für die Modifizierung im Material 109 ergibt. Ein Ende 107B der Fokuszone 107 endet dabei beispielsweise an einer Unterseite 109B des Materials 109.
Wird die Fokuszone 107 beispielsweise entlang der Y-Richtung relativ zum Material 109 bewegt, findet ein Modifizieren eines ersten Abschnitts des Materials statt. Es ergeben sich für die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls 103 nebeneinander angeordnete modifizierte Bereiche (langgezogene Modifikationen) im Material 109. Die sich entsprechend flächig ergebende Modifizierung des Materials 109 dient bereits dem späteren Trennen, sie dient aber auch zur Abschirmung von Laserstrahlung in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt.
Der modifizierte Abschnitt bildet in diesem Sinne eine Abschirmfläche aus, die in der Y-Z-Ebene verläuft. Die Abschirmfläche ist im Material in Z-Richtung durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt, sodass die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material 109 in Y-Richtung verlaufende Abschirmkante darstellen. Abschirmung bezieht sich hierin auf ein Vorliegen von Modifikationen, die auf die Ausbreitung von Laserstrahlung wirken. Die Abschirmfläche ragt (zumindest teilweise) in einen optischen Strahlengang hinein, um die Ausbreitung von Laserstrahlung zu beeinflussen, insbesondere um eine Phasenbeziehung hinsichtlich einer andernfalls eintretenden Interferenz zu stören. In diesem Sinne kann die Abschirmfläche hierin auch als Interferenzstörfläche bezeichnet werden.
7B zeigt, wie in einem zweiten Bearbeitungsschritt eine zweite flächige Modifizierung unter einem Winkel β bezüglich der ersten flächigen Modifizierung in das Material 109 eingebracht werden kann. Der Winkel β entspricht einem gewünschten Fasenwinkel der zu erzielenden Trennfläche.
In der Schnittansicht der 7B ist die erste flächige Modifizierung als Abschirmfläche 115 angedeutet. 7B zeigt ferner einen gepulsten Laserstrahl 103' mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung, wobei der Laserstrahl 103' diesmal unter einem entsprechenden Winkel auf die Oberseite 109A des Materials 109 trifft. Eine entsprechende Propagationsrichtung 111' ist in 7B angedeutet.
Durch konstruktive Interferenz von radialen Strahlbereichen wird eine langgezogene Fokuszone 107' entlang einer Fokuszonenachse 113' ausgebildet. Die Strahlparameter des Laserstrahls 103' sind dabei derart gewählt, dass sich in Abwesenheit der Abschirmfläche 115 eine Fokuszone ergeben könnte, die über die Lage derselben hinausgehen würde. Mit anderen Worten könnte eine Modifikation mit dem gepulsten Laserstrahls 103' sich über die Position der Abschirmkante hinweg erstrecken, jedoch wird die Propagation der Laserstrahlung durch die bereits vorhandene Abschirmfläche 115 beeinflusst.
Beispielsweise kann der zweite gepulste Laserstrahl 103' (während des Bearbeitens des Materials 109) derart ausgerichtet werden, dass die zweite Fokuszone 107' für jeden Laserpuls in der Abschirmfläche 115 mündet und/oder die zweite Fokuszonenachse 113' durch die oder nahe der Abschirmkante 121 verläuft.
Nach dem Kreuzungspunkt zwischen Fokuszonenachse 113' und Abschirmfläche 115 kommt es nicht mehr zu einer konstruktiven Interferenz. Die Fortsetzung der langgezogenen Fokuszone über die Abschirmfläche 115 wird somit unterbunden und die Ausbildung von einem entsprechenden modifizierten Bereich im Material 109 endet an der Abschirmfläche 115.
Die Ausbildung eines Bereichs 117 mit gestörter Interferenz ist in 7B gestrichelt angedeutet. In diesem Bereich 117 kann sich kein Bessel-Strahl-Fokus mehr ausbilden.
In 7C wird die Unterdrückung der Interferenz mithilfe von Schnittansichten in der X-Z-Ebene bzw. in der Y-Z-Ebene beispielhaft für das zweidimensionale Strahlprofil der 5 dargestellt. Ab der Abschirmfläche 115 können Bereiche erhöhter Intensität nicht mehr durch konstruktive Interferenz erzeugt werden, da die Phasenbeziehung zwischen verschiedenen Bereichen des Bessel-Strahlprofils gestört wurde.
Wie in der X-Z-Schnittansicht der 7C gezeigt wird, ergibt sich eine entsprechend vorzeitig beendete Intensitätsverteilung 73' in der Fokuszone. Die in 7C ferner gezeigte Schnittansicht in der Y-Z-Ebene verläuft durch die Abschirmfläche 115. Schematisch sind mehrere Modifikationen 119 dargestellt, die durch z.B. einzelne Laserpulse erzeugt wurden. Jede der Modifikationen 119 erstreckt sich von der Unterseite 109B des Materials 109 bis zu einem räumlich definierten Übergang zu nicht-modifiziertem Material. Diese Übergänge bestimmen den Verlauf einer Abschirmkante 121. In der der 7C zugrunde liegenden Justage der Laserstrahlen verläuft die Fokuszonenachse 113' des zweiten Laserstrahls im Bereich der Abschirmkante 121.
Wird das Material 109 mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl 103' bearbeitet, in dem die zweite Fokuszone 107' relativ zum Material 109 in Y-Richtung bewegt wird, ergibt sich ein zweiter modifizierter Abschnitt des Materials 109 mit modifizierten Bereichen. Der zweite Abschnitt bildet somit eine Anschlussfläche, die in die Abschirmfläche 115 übergeht.
Gemäß den hierin vorgestellten Konzepten verläuft dabei die zweite Fokuszonenachse 113' jeweils nahe der Abschirmkante 121 oder durch die Abschirmkante 121 (insbesondere in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmkante 121 erstreckt). Mit anderen Worten kann während des Bearbeitens des Materials 109 mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl jeweils die zweite Fokuszonenachse zur Abschirmfläche 115 derart ausgerichtet werden, dass nur ein Teil 123A des zweiten gepulsten Laserstrahls 103' auf die Abschirmfläche 115 trifft, sodass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls 103', der auf die Abschirmfläche 115 trifft, mit einem Teil 123B der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls 103', der nicht auf die Abschirmfläche 115 trifft, gestört und insbesondere unterdrückt wird. Im Ergebnis bildet der zweite gepulste Laserstrahl 103' modifiziertes Material nur bis zur Abschirmfläche 115 aus und der zweite Abschnitt mündet in den ersten Abschnitt.
7D zeigt im Schnitt den Verlauf der resultierenden (Gesamt-) Modifikationsfläche 125 aus zwei Abschnitten 125A und 125B. Modifikationen im als zweites erzeugten Abschnitt 125B stoppen an einem Kreuzungspunkt 127 mit dem zuerst erzeugten Abschnitt 125B, wodurch bei der Trennung des Materials 109 in zwei Teile eine Rissausbreitung über den Kreuzungspunkt 127/die Abschirmfläche hinaus verhindert werden kann.
7E zeigt beispielhaft ein Werkstück 129 mit einer Bauteilgeometrie, wie sie sich durch eine Trennung entlang der Modifikationsfläche 125 ergibt. Das Werkstück weist eine Seitenfläche 129A (gebildet durch den ersten Abschnitt 125A; beispielhafte Verläufe der länglichen Modifikationen 119 des ersten Abschnitts 125A sind gestrichelt angedeutet) und eine an die Seitenfläche 129A angrenzende Fasenfläche 129B (gebildet durch den zweiten Abschnitt 125B; beispielhafte Verläufe der länglichen Modifikationen 119' des zweiten Abschnitts 125B sind strich-punktiert angedeutet) auf. Es wird darauf hingewiesen, dass die Modifikationen 119 und die Modifikationen 119' aufeinanderfolgend erzeugter Abschnitte nicht ineinander übergehen müssen, sondern auch zueinander versetzt eingestrahlt werden können.
Im Unterschied zum Werkstück 129 zeigt 8 eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften Werkstücks 131, bei dem die Fokuszonen nicht erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt und eingestrahlt wurden. Bei dem Werkstück 131 weist der Übergang von einer Seitenfläche 131A zu einer angrenzenden Fasenfläche 131B vorstehendes Restmaterial 133 auf, das nachträglich zu entfernen ist.
Die 9, 10A und 10B zeigen weitere Beispiele für den Verlauf von Modifikationen, die durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen erzeugt werden können.
In 9 werden zwei Bearbeitungsschritte vorgenommen. Im ersten Schritt wird ein erster gepulster Laserstrahl derart auf das Material 109 eingestrahlt, dass die (erste) Fokuszone von der Oberseite 109A des Materials 109 in Z-Richtung in das Material 109 hineinragt. Die Intensitätsverteilung entlang der Fokuszonenachse wird dabei beispielsweise gemäß dem longitudinales Flat-top-Intensitätsprofil 91, wie es in 6 gezeigt wird, ausgebildet. Entsprechend bildet sich am Ende der Fokuszone ein schneller Abfall in der Intensität aus, sodass am Ende der Fokuszone ein räumlich definierter Übergang von modifiziertem Material zu nicht-modifiziertem Material erzeugt wird. Alternativ wird auf die 11 zur Erzeugung einer vorbestimmten Eindringtiefe der (ersten) Fokuszone verwiesen.
Im zweiten Schritt erfolgt ein Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls, wie es auch in Zusammenhang mit 7B erläutert wurde. Im Unterschied zu dem in Zusammenhang mit 7C erläuterten Abschirmeffekt wirkt der erzeugte Abschnitt 135A auf den Oberseiten-nahen Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls. Die Abschirmung hat wiederum den (gleichen) Effekt, dass sich die einzelnen Modifikationen (und damit der Abschnitt 135B) nicht über die Abschirmfläche hinaus ausbilden.
Im Ergebnis formen die Abschnitte 135A und 135B eine keilförmige Einkerbung auf der Oberseite 109A des Materials 109 (als Beispiel einer Aussparung im Material 109) entlang einer (Gesamt-) Modifikationsfläche 135, nachdem von der Modifikationsfläche 135 abgegrenztes Restmaterial 137 aus dem Material 109 gelöst wurde.
10A verdeutlicht eine Lasermaterialbearbeitung mit einer Sequenz von drei Bearbeitungsschritten. Zur Erzeugung der ersten beiden Abschnitte 139A und 139B wird auf die Beschreibung der 7A bis 7C verwiesen. Hinsichtlich des Abschnitts 139B wird jedoch eine Fokuszone eingesetzt, deren Anfang im Inneren des Materials 109 liegt und die nicht durch die Oberseite 109A in das Material eindringt. Zur Erzeugung eines räumlich definierten Übergangs von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material im Abschnitt 139B kann beispielsweise wieder eine homogenisierte Intensitätsverteilung, wie sie im Zusammenhang mit 5 beschrieben wurde, verwendet werden.
Um den Anfang des Abschnitts 139B mit der Oberseite 109A des Materials 109 zu verbinden, wurde beispielhaft in Z-Richtung ein dritter gepulster Laserstrahl eingestrahlt, wobei nun der zweite modifizierte Abschnitt als Abschirmfläche wirken kann, wenn die Fokuszonenachse des dritten Laserstrahls entsprechend auf die zugeordnete Abschirmkante ausgerichtet wird.
Durch Verschieben der Fokuszone des dritten gepulsten Laserstrahls in Y-Richtung ergibt sich ein dritter in Z-Richtung verlaufender Abschnitt 139C. Die Abschnitte 139A-139C bilden eine (Gesamt-) Modifikationsfläche 139, deren Verlauf die Trennkonturfläche bestimmt.
Nach erfolgter Trennung entlang der (Gesamt-) Modifikationsfläche 139 ergibt sich eine Seitenfläche eines Werkstücks mit einer abgeschrägten Stufe.
10B verdeutlicht eine Lasermaterialbearbeitung mit einer Sequenz von drei Bearbeitungsschritten. Zur Erzeugung eines zuerst und eines zuletzt eingebrachten Abschnittes 141A und 141C von Modifikationen wird auf die Beschreibung der 10A und die Abschnitte 139A und 139C verwiesen.
Nach Einbringen des Abschnitts 141A mit einem Laserstrahl mit einem Bessel-Strahlprofil (Bessel-Laserstrahl) wird für einen (Übergangs-) Abschnitt 141B ein Gauß-Strahl mit einer entsprechend lokalisierten Gauß-Strahlfokuszone eingesetzt. Ist die Intensität des Laserstrahls hoch genug, werden Modifikationen 143 im Wesentlichen mit der Geometrie der Gauß-Strahl-Fokuszone in das Material 109 eingebracht. 10B zeigt eine Aufreihung von Modifikationen 143 in X-Richtung.
Im Material 109 werden entsprechende Modifikationen auch in Y-Richtung erzeugt. Im Unterschied zur Verwendung einer Bessel-Strahlfokuszone ist für die Ausbildung der Abschirmfläche 115 mit einer Gauß-Fokuszone eine mindestens zweidimensionale Scanbewegung des Gauß-Laserstrahls notwendig. Die Gauß-Fokuszone ist im Vergleich zur sich bereits zweidimensional länglich erstreckenden Bessel-Strahlfokuszone lokalisiert und bewirkt quasi-punktförmig eine Modifikation der Materialstruktur.
Im Ergebnis bilden die Modifikationen 143 ein Raster 145 aus, das in 10B beispielhaft in einer Ebene liegt und den Abschnitt 141B bildet. Die Ebene des Rasters 145 kann z.B. parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Oberfläche 109A des Materials 109 verlaufen. Dies wäre z.B. für den mit Bessel-Strahlfokuszonen ausgebildeten Abschnitt 139B der 10A nicht möglich. Da das Raster 145 durch „punktförmige“ Gauß-Strahlfokuszonen gebildet wird, kann der räumlicher Verlauf des Rasters 145 frei eingestellt werden, wobei bevorzugt die vorausgehend erzeugten Fokuszonen den Laserstrahl nicht bei der Fokusausbildung beeinflussen. Beispielsweise kann das Raster 145 eine gekrümmte oder mehrfach geschwungene Ebene ausbilden.
Im Beispiel der 10B liegt ein erster Rand 145A des Rasters 145 im Anfangsbereich der im Abschnitt 141A liegenden Modifikationen. Das Raster 145 erstreckt sich ferner streifenförmig in der X-Y-Ebene entlang des Abschnitts 141A und definiert so im Beispiel der 10B die Tiefe einer Stufe.
Um das Raster 145 mit der Oberseite 109A des Materials 109 zu verbinden, wird beispielhaft wie in 10A in Z-Richtung ein gepulster Bessel-Laserstrahl eingestrahlt. Dieser bildet nun Modifikationen aus, wobei nun der zweite modifizierte Abschnitt 141B, d.h. das Raster 145 von Modifikationen 143, als Abschirmfläche wirkt, wenn die Fokuszonenachse des Bessel-Laserstrahls entsprechend auf einen zweiten Rand 145B des Rasters 145 ausgerichtet wird.
Durch Verschieben der Fokuszone des Bessel-Laserstrahls in Y-Richtung ergibt sich wie in 10A der dritte in Z-Richtung verlaufender Abschnitt 141C. Die Abschnitte 141A-141C bilden die (Gesamt-) Modifikationsfläche 141, deren Verlauf eine stufenförmige Trennkonturfläche bestimmt. Die Trennebenen des dritten Abschnitts 141C ragt aufgrund der Unterdrückung der für die Ausbilder der Bessel-Strahlfokuszone notwendige Interferenz durch das Raster 145 nicht über die durch das Raster 145 gebildete Trennebene des zweiten Abschnitts 141B hinaus.
Nach erfolgter Trennung entlang der (Gesamt-) Modifikationsfläche 141 ergibt sich eine Seitenfläche eines Werkstücks mit einer 90°-Stufe.
Nachfolgend wird in Zusammenhang mit 11 die Flexibilität bei der Erzeugung einer Bessel-Strahlfokuszone mit einem Bessel-Strahl erläutert. Eine Bessel-Strahlfokuszone erstreckt sich entlang einer Fokuszonenachse (beispielhaft in 11 die Z-Achse durch die Axicon-Achse) mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Intensitätsprofil (siehe 6).
Bezugnehmend auf den oberen Teil der 11 kann eine Bessel-Strahlfokuszone mit einem Axicon 151 oder einem den Phasenverlauf eines Axicon erzeugenden räumlichen Lichtmodulator erzeugt werden. In 11 trifft ein einfallender Laserstrahl 153, der ein Gauß-förmiges Strahlprofil 153A (Gauß-Laserstrahl) aufweist, auf das Axicon 151.
Aufgrund des in radialer Richtung variierenden Phasenbeitrags des Axicon 151 läuft strahlabwärts des Axicon 151 Laserstrahlung auf die Strahlachse zu, sodass es entlang der Fokuszonenachse zur Interferenz der radial einlaufenden Laserstrahlung kommen kann. Es interferieren also Bereiche mit unterschiedlichen radialen Abständen von der Fokuszonenachse nach und nach entlang der Fokuszonenachse.
Bezugnehmend auf den unteren Teil der 11 werden in drei Reihen beispielhafte Intensitätsverläufe entlang der Fokuszonenachse gezeigt. Dabei wird zusätzlich zur Phasenaufprägung mit einem Axicon eine Ringblende eingesetzt, um radiale Bereiche des einfallenden Laserstrahls 153 zu beeinflussen.
Hierzu sind in 11 zwei Typen von Ringblenden verdeutlicht. Die linke Seite der 11 betrifft den Einsatz einer Amplitudenblende 155 und die rechte Seite der 11 den Einsatz einer Phasenblende 157. Die Position dieser Ringblenden 155, 157 ist im oberen Teil der 11 beispielhaft auf der Einfallsseite des Axicon 151 (allgemein in der Ebene des Axicon/der Phasenaufprägung) angedeutet.
In der ersten Reihe erkennt man eine unbeeinflusste Intensitätsverteilung 159. Diese wird nur mit dem Axicon 151 erzeugt; d. h., es liegt keine Amplituden- oder Phasen-Beeinflussung des einfallenden Laserstrahls vor. Entsprechend sind die Blenden 155, 157 nur als Aperturen dargestellt.
Werden nun radiale Bereiche des einfallenden Laserstrahls 153 geblockt (Amplituden-Blende 155) oder in der Phase beeinflusst (Phasen-Blende 157), ändert sich die Intensitätsverteilung entlang der Fokuszonenachse. Hierzu können die Blenden in einem inneren Bereich 161 und einem äußeren Bereich 163 aktiv sein.
Beispielsweise kann eine Modifikation im Volumen eines Materials sehr abrupt beendet werden, wenn man den das Axicon 151 beleuchtenden Laserstrahlen 153 in der Ebene des Axicon 151 ab einem Radius R1 blockiert. In der zweiten Reihe wird dies durch einen schwarzen Ring 163A im äußeren Bereich der Amplituden-Blende 155 verdeutlicht. Wird dieser äußere Strahlbereich geblockt, endet die Bessel-Strahlfokuszone in einer zugehörigen longitudinalen Ebene L1 (siehe Intensitätsprofil 159A), da ab hier keine Laserstrahlung mehr auf die Fokuszonenachse eintrifft, die konstruktiv interferieren könnte. Somit endet in der longitudinalen Ebene L1 auch die mit dem Laserstrahl 153 erzeugte Modifikation.
Die gleiche axiale Begrenzung der Modifikation kann bewirkt werden, wenn anstelle der Amplituden-Blende 155 die leistungstaugliche Phasen-Blende 157 verwendet wird, die ab dem Radius R1 einen zusätzlichen variierenden Phasenbeitrag auf den ringförmigen Strahlbereich legt. Dies ist im oberen Bereich der 11 durch Streustrahlung 165 verdeutlicht, die im radial äußeren Bereich durch die Phasen-Blende 157 erzeugt wird. In der zweiten Reihe im unteren Bereich der 11 wird dies durch ein Schachbrettmuster-Ring 163B angedeutet, das variierende Phasen-Beiträge darstellen soll.
Mithilfe einer Blende im inneren Bereich 161 kann ähnlich eine Modifikation im Volumen eines Materials sehr abrupt begonnen werden, wenn beispielsweise der das Axicon 151 beleuchtende Laserstrahl 153 in der Ebene des Axicon 151 bis zu einem Radius R2 blockiert wird. In der dritten Reihe wird dies durch eine zusätzliche zentrale schwarze Zone 161A im inneren Bereich der Amplituden-Blende 155 verdeutlicht. Wird dort der innere Strahlbereich geblockt, beginnt die Bessel-Strahlfokuszone an einer zugehörigen longitudinalen Ebene L2 (siehe Intensitätsprofil 159B), da erst ab hier Laserstrahlung auf die Fokuszonenachse eintrifft und konstruktiv interferieren kann. Somit beginnt in der longitudinalen Ebene L2 auch erst dort die mit dem Laserstrahl 153 erzeugte Modifikation.
Der gleiche schlagartige Beginn der Modifikation kann bewirkt werden, wenn anstelle der Amplituden-Blende 155 eine leistungstaugliche Phasen-Blende 157 verwendet wird, die bis zu dem Radius R1 einen zusätzlichen variierenden Phasenbeitrag auf den zentralen Strahlbereich legt. Auch dies ist im oberen Bereich der 11 durch Streustrahlung 165 im Inneren Bereich 161 verdeutlicht. In der dritten Reihe im unteren Bereich der 11 wird dies durch ein Schachbrettmuster-Bereich 161B angedeutet, der variierende Phasenbeiträge darstellen soll.
Der Fachmann wird anerkennen, dass der schlagartige Beginn eine Modifikation auch ohne das abrupte Ende umgesetzt werden kann. Des Weiteren könnte man die Axicon-Ebene mit einer transversalen Flat-Top-Verteilung beleuchten, um auf diese Weise das radiale Ausmaß der Beleuchtung festzulegen.
Mit anderen Worten können die Modifikationen ausgehend von einer ersten Fokuszone 107 und/oder einer zweiten Fokuszone 107' in ihrer axialen Ausdehnung am Anfang und/oder am Ende durch eine Phasenmodulation eines einfallenden Laserstrahls 153 bestimmt werden, wobei die Phasenmodulation zur Ausbildung einer Bessel-Strahlfokuszone ausgebildet ist ist und insbesondere einen in radialer Richtung variierenden Axicon-Phasenbeitrag auf den einfallenden Laserstrahl 153 aufprägt und wobei die Phasenmodulation auf einen radialen Bereich beschränkt ist. Optional kann der einfallende Laserstrahl 153 zur Beschränkung auf den radialen Bereich in einem radial innen liegenden Bereich 161 und/oder in einem radial außen liegenden Bereich 163 mit einer Strahlblende wechselwirken, insbesondere mit einer Amplituden-Blende geblockt und/oder mit einer Phasen-Blende gestreut wird. Alternativ oder ergänzend kann der einfallende Laserstrahl 153 nur im radialen Bereich ausgebildet sein.
Ergänzend wird vorgeschlagen, dass die in 11 gezeigten und in Ausbreitungsrichtung am Anfang und/oder am Ende begrenzten Fokuszonen ebenfalls eingesetzt werden, um räumlich in axialer Richtung begrenzte Modifikationen zu bewirken und derartige begrenzte Modifikationen gegebenenfalls in aneinander angrenzenden Ebenen/Flächen vorzusehen, um eine Modifikationsfläche mit komplexen Verlauf im Materialinneren zu erzeugen. Auf diese Weise können beispielsweise Modifikationen ähnlich den Modifikationen, wie sie in den 7A bis 10B schematisch und beispielhaft verdeutlicht wurden, erzeugt werden.
Somit stellen die in Zusammenhang mit 11 beschriebenen Bessel-Strahlfokuszone mit Anfangs- /endebenen L1/L2 einen Ansatz dar, der als Alternative zur Begrenzung des Endes durch Interferenz gemäß dem hierin vorausgehend beschriebenen Konzept oder in Kombination mit demselben eingesetzt werden kann, um Modifikationen/Modifikationsflächen in einem Werkstück zu erzeugen.
Es wird ergänzt, dass zur räumlich gut ausgeprägten Definition einer Abschirmkante es beispielsweise angestrebt werden kann, dass die Intensität in der Bessel-Strahlfokuszone von größer 90 % auf kleiner 10 % über beispielsweise eine Länge im Bereich von 5 µm bis 50 µm abfällt bzw. ansteigt. Der Abfall/Anstieg kann ferner beispielsweise über eine Länge im Bereich von fünf Strahldurchmessern erfolgen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/079062 A1 [0004, 0031, 0042, 0045]
WO 2016/079275 A1 [0054]

Claims

Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials (109) durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten (125A, 125B) des Materials (9) mit gepulsten Laserstrahlen, mit den Schritten: Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls (103), der bei einem Einstrahlen in das Material (190) eine erste Fokuszone (107) ausbildet, Bearbeiten des Materials (109) mit dem ersten gepulsten Laserstrahl (103) zum Erzeugen von ersten Modifikationen (119, 143), wobei die erste Fokuszone (107) relativ zum Material (109) zum Modifizieren eines ersten Abschnitts (125A) des Materials (109) bewegt wird, sodass die ersten Modifikationen (119, 143) eine Abschirmfläche (115) ausbilden, Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine zweite Fokuszone (107') ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonenachse (113') langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113') zuläuft, und Bearbeiten des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103'), indem die zweite Fokuszone (107') relativ zum Material (109) zum Erzeugen von zweiten Modifikationen (119') in einem zweiten Abschnitt (125B) des Materials (109) bewegt wird, wobei mindestens ein Teil der unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113') zulaufende Laserstrahlung auf die Abschirmfläche (115) trifft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Bearbeitens des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103') jeweils die zweite Fokuszonenachse (107) zur Abschirmfläche (115) derart ausgerichtet wird, dass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls hinter der Abschirmfläche (115) gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl (103') die zweite Modifikation (119') nur bis zur Abschirmfläche (115) ausbildet, wobei optional nur ein Teil des zweiten gepulsten Laserstrahls (103') auf die Abschirmfläche (115) trifft, sodass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der auf die Abschirmfläche (115) trifft, mit einem Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der nicht auf die Abschirmfläche (115) trifft, gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl (103') die zweite Modifikation (119') nur bis zur Abschirmfläche (115) ausbildet und der zweite Abschnitt (125B) in den ersten Abschnitt (125A) mündet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Fokuszonenachse (113') die Abschirmfläche (115) tangiert oder durch die Abschirmfläche (115) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (125A) und der zweite Abschnitt (125B) unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 90°, vorzugsweise in einem Bereich von 0° bis 30°, zueinander verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Fokuszone (107) entlang einer ersten Fokuszonenachse (113) langgezogen ausgebildet ist und an einem Anfang (107A) und/oder an einem Ende (107B) der ersten Fokuszone (107) einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material (109) entlang der ersten Fokuszonenachse (113) einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, die Abschirmfläche (115) im Material (109) durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt wird, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material (109) verlaufende Abschirmkante (121) darstellen, und die zweite Fokuszone (107) derart relativ zum Material (109) bewegt wird, dass die zweite Fokuszonenachse (113') nahe der Abschirmkante (121) oder durch die Abschirmkante (121) oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmkante (121) erstreckt, oder durch die Abschirmfläche (115) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite gepulste Laserstrahl (103') während des Bearbeitens des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103') derart ausgerichtet wird, dass die zweite Fokuszone (107') jeweils in der Abschirmfläche (115) mündet und/oder die zweite Fokuszonenachse (113') durch die Abschirmkante (121) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material in der ersten Fokuszone (107) derart räumlich begrenzt ist, dass der Übergang sich entlang der Fokuszonenachse (113) über eine Länge in einem Bereich zwischen 1 µm und 200 µm, typischerweise zwischen 5 µm und 50 µm oder zwischen 10 µm und 30 µm erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der erste gepulste Laserstrahl (103) und/oder der zweite gepulste Laserstrahl (103') derart erzeugt werden, dass die erste Fokuszone (107) und/oder die zweite Fokuszon (107') ein Aspektverhältnis aufweist, das mindestens 10:1 ist und/oder dass die erste Fokuszone (107) und/oder die zweite Fokuszone (107') eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der eine Modifikation bewirkenden Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger und/oder dass die erste Fokuszone (107) und/oder die zweite Fokuszone (107') in ihrer axialen Ausdehnung am Anfang und/oder am Ende durch eine Phasenmodulation eines einfallenden Laserstrahls (153) bestimmt wird, wobei die Phasenmodulation zur Ausbildung einer Bessel-Strahlfokuszone ausgebildet ist und insbesondere einen in radialer Richtung variierenden Axicon-Phasenbeitrag auf den einfallenden Laserstrahl (153) aufprägt und wobei die Phasenmodulation auf einen radialen Bereich beschränkt ist, wobei optional der einfallende Laserstrahl (153) zur Beschränkung auf den radialen Bereich in einem radial innen liegenden Bereich (161) und/oder in einem radial außen liegenden Bereich (163) mit einer Strahlblende wechselwirkt, insbesondere mit einer Amplituden-Blende geblockt oder mit einer Phasen-Blende gestreut wird, oder wobei optional der einfallende Laserstrahl (153) nur im radialen Bereich ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Fokuszone (107) mit einem Gauß-Laserstrahl ausgebildet wird, sodass die ersten Modifikationen (143) in ihrer Geometrie einer Gauß-Fokuszone entsprechen, im Material (109) die ersten Modifikationen (143) in einem Raster (145) angeordnet werden und das Raster (145) die Abschirmfläche (115) ausbildet und die zweite Fokuszone (107) derart relativ zum Material (109) bewegt wird, dass die zweite Fokuszonenachse (113') durch die Abschirmfläche (115) oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmfläche (115) erstreckt, oder in einem Randbereich der Abschirmfläche (115) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite gepulste Laserstrahl (103') bei einem Einstrahlen in das Material (109) an einem Anfang der zweiten Fokuszone (107') einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material (109) entlang der zweiten Fokuszonenachse (113') einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, sodass Materialbereiche, die durch Laserpulse des zweiten gepulsten Laserstrahls (103') modifiziert wurden, eine weitere Abschirmfläche ausbilden, die im Material durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt wird, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material (109) verlaufende weitere Abschirmkante darstellen, ferner mit: Erzeugen eines dritten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine dritte Fokuszone ausbildet, die entlang einer dritten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse verläuft, und Bearbeiten des Materials (109) mit dem dritten gepulsten Laserstrahl, indem die dritte Fokuszone relativ zum Material (109) zum Modifizieren eines dritten Abschnitts (139C) des Materials (109) derart bewegt wird, dass die dritte Fokuszonenachse nahe der weiteren Abschirmkante oder durch die weitere Abschirmkante verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (125A) und der zweite Anschnitt (125B) zumindest teilweise eine Trennkonturfläche im Material (109) ausbilden, ferner mit: Trennen des Materials (109) entlang der Trennkonturfläche, wobei insbesondere der erste Abschnitt (125A) oder der zweite Abschnitt (125B) zur Ausbildung einer langen Fase oder einer Mikrofase führen und/oder wobei der erste Abschnitt (125A) und der zweite Abschnitt (125B) zur Ausbildung einer Aussparung im Material (109) führen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der zweite Abschnitt (125B) eine Anschlussfläche definiert, die in die Abschirmfläche (115) übergeht, sodass sich nach erfolgter Trennung des Materials in zwei Teile bei einem der Teile eine Kante entlang der räumlich definierten Übergänge ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite gepulste Laserstrahl (103') und optional der erste gepulste Laserstrahl (103) ein Quasi-Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweist, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laserstrahlung Beiträge zu einem strahl aufwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone liefert, und/oder wobei der zweite gepulste Laserstrahl (103') und optional der erste gepulste Laserstrahl (103) ein inverses Quasi-Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweist, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laserstrahlung Beiträge zu einem strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone liefert.
Laserbearbeitungsanlage (1, 21) für die Bearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials (109) durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials (109) mit gepulsten Laserstrahlen, mit: einer Laserstrahlquelle (1A) zum Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls (103), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine erste Fokuszone (107) ausbildet, die optional als Gauß-Fokuszone oder entlang einer ersten Fokuszonenachse (113) langgezogene Fokuszone ausgebildet ist und an einem Anfang und/oder an einem Ende der ersten Fokuszone (107) einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material entlang der ersten Fokuszonenachse (113) einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, und zum Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine zweite Fokuszone (107') ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonenachse (113') langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse (113') verläuft, einer Werkstücklagerungseinheit (25) zur Lagerung des Materials (9) als Werkstück, und einer Steuerungseinheit (31) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserbearbeitungsanlage (1, 21) zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen dem Material (109) und den Fokuszonen (107, 107') des ersten gepulsten Laserstrahls (103) und des zweiten gepulsten Laserstrahls (103') sowie für eine Ausrichtung des zweiten gepulsten Laserstrahls (103') hinsichtlich einer mit dem ersten gepulsten Laserstrahl erzeugten Abschirmfläche (115) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsanlage (1, 21) nach Anspruch 14, wobei die Steuerungseinheit (31) zur Einstellung einer Position der Fokuszone, insbesondere einer Position eines Endes der langgezogenen Fokuszone, bezüglich der Werkstücklagerungseinheit (25) und/oder zur Einstellung eines Parameters des Laserstrahls ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Laserstrahlquelle (1A) ferner dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu erzeugen, die das Material (109) durch nichtlineare Absorption modifiziert.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Laserbearbeitungsanlage (1, 21) ferner ein optisches System (1B) mit einem Strahlformungselement (11) umfasst, wobei das Strahlformungselement (11) zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf einfallende Laserstrahlung ausgebildet ist, und wobei optional das optische System (1B) ausgebildet ist zur Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone (107, 107') mit einem Aspektverhältnis von mindestens 10:1 und/oder mit einer maximalen Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger und/oder zur Ausbildung einer langgezogene Fokuszone (107, 107'), bei der nur ein Zentralbereich des Laserstrahls Beiträge zu einem strahlaufwärts oder strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone (107, 107') beiträgt.