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WO2024160647A1 - Device and method for processing a workpiece - Google Patents

Device and method for processing a workpiece Download PDF

Info

Publication number
WO2024160647A1
WO2024160647A1 PCT/EP2024/051768 EP2024051768W WO2024160647A1 WO 2024160647 A1 WO2024160647 A1 WO 2024160647A1 EP 2024051768 W EP2024051768 W EP 2024051768W WO 2024160647 A1 WO2024160647 A1 WO 2024160647A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
hologram
workpiece
processing
laser beam
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/051768
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel FLAMM
Jonas Kleiner
Jonas Mayer
Malte Kumkar
Daniel Grossmann
Original Assignee
Trumpf Laser Gmbh
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser Gmbh, Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh filed Critical Trumpf Laser Gmbh
Publication of WO2024160647A1 publication Critical patent/WO2024160647A1/en

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    • B23K26/082Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/355Texturing

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for machining a workpiece.
  • material can be removed from a workpiece by vaporizing or condensing the material within the focus zone of a laser beam through a strong light-matter interaction.
  • the structures created in this way can be, for example, line-, point- or plate-shaped depressions. If such structures are introduced in a regular manner onto or into the surface of the workpiece, this can functionalize the surface of the workpiece. In particular, this can influence the optical or tribological properties of the workpiece surface.
  • optical arrangements used to introduce regular structures are often implemented as interferometers, whereby a laser beam emitted by a laser is split into at least two partial beams and these partial laser beams are directed onto the surface of the workpiece in an interfering manner using a focusing element to form a structure.
  • EP 3466598 B1 discloses a laser optical arrangement for laser interference processing.
  • EP 3735332 B1 discloses an optical arrangement for direct laser interference structuring.
  • the devices for processing a workpiece must always ensure that the interference conditions are met for the partial laser beams.
  • the laser pulses in the individual partial laser beams cannot interfere with each other, because the laser pulses are not simultaneously in a place where they could interfere.
  • such an adjustment of the path lengths is very complex, which is why long laser pulses with a pulse duration of more than 100ps often have to be used.
  • a device for processing a workpiece, in particular for imparting surface functionalization, by means of laser pulses of a laser beam comprising a laser, a hologram and an imaging optics.
  • the laser in particular a short-pulse laser or an ultra-short-pulse laser, is designed to provide the laser beam with the laser pulses to the hologram.
  • the hologram is designed to receive the laser beam, convert the laser beam into a plurality of partial laser beams and cause them to interfere and pass them on to the imaging optics.
  • the imaging optics are designed to receive the partial laser beams and focus them as a processing beam in a focal plane on or in the workpiece, wherein the workpiece is exposed to the processing beam and is thereby processed.
  • the hologram is further designed to impart a regular intensity distribution to the processing beam in the focal plane, preferably a high-frequency, periodic intensity distribution.
  • 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 100fs 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 involves the emission of several laser pulses. For a certain time interval, the Emitting the laser pulses very closely, at intervals of a few picoseconds to nanoseconds, one after the other.
  • the laser bursts can be GHz bursts in particular, where the sequence of successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
  • a burst can, for example, 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 2pJ or 2mJ.
  • the diameter of the laser beam provided by the laser can be larger than 0.1 mm, for example 1 mm or 15 mm.
  • the laser beam of the laser first passes through the hologram.
  • a hologram is designed to modulate the laser beam.
  • this can mean that the phase of the laser beam is modulated and the laser beam is converted into a large number of partial laser beams, whereby each partial laser beam can have 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 partial laser beams begin to interfere with each other after the hologram and, through a periodic continuation of the phase manipulation, form a regular interference pattern that can form in the near field immediately after the hologram.
  • the partial laser beams are introduced into or onto the material through the imaging optics, thereby providing a processing beam.
  • the energy of the processing beam is absorbed or partially absorbed in the material, for example through linear interactions or non-linear interactions, in particular through multiphoton processes.
  • the focus of the partial laser beams that form the processing beam can be on or in 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.
  • the focus is in the workpiece if the focal plane 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.
  • 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 focus.
  • focus can generally be understood as a targeted increase in intensity, whereby the laser energy converges in at least one "focus zone". In the case of several focus zones, these are preferably located in one focal plane.
  • the term "focus" is used independently of the beam shape actually used and the methods for bringing about an intensity increase. Focusing can also influence the location of the at least one focus zone along the beam propagation direction.
  • the at least one focus zone can be quasi point-shaped and have a Gaussian intensity cross-section, as provided by a Gaussian laser beam.
  • the at least one 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 Due to the energy of the processing beam absorbed in the material in the at least one focus zone, the material heats up according to the intensity distribution of the processing beam and/or changes into a temporary plasma state due to the electromagnetic interaction of the processing beam 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 modified by the processing beam, particularly in the at least one focus zone, since the intensity of the laser beam is greatest there. In particular, this can result in part of the material being released from the composite of the workpiece material, for example by melting or evaporating. This means that there are no significant differences in the interaction between the processing beam and the material to be processed.
  • known machining processes are possible, such as laser drilling, percussion drilling, laser ablation, blasting or compaction.
  • the modifications to the workpiece by the processing beam are called material modifications.
  • 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 workpiece material on the surface by the irradiated laser intensity.
  • the material of the workpiece is evaporated in particular where the intensity of the processing beam exceeds a critical, material-specific processing threshold. Accordingly, the form and shape of the processing beam, in particular the intensity distribution of the processing beam in the focal plane, are crucial for the form and shape of the material modification.
  • the laser beam Before hitting the hologram, the laser beam has, for example, a Gaussian beam profile or a super-Gaussian profile.
  • the laser beam can also have a super-Gaussian-like profile with raised edges or a ring profile.
  • a certain spatial area is formed around the focus zone in which the laser energy is above the critical processing threshold.
  • the intensity distribution of the processing beam in the focus there is an iso-intensity area within which the material can be vaporized.
  • This iso-intensity area thus determines the form and shape of the material modification.
  • 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 slope, 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 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, quartz glass, or an aluminosilicate glass.
  • the hologram is designed to impose a regular intensity distribution on the incoming laser beam in the focal plane as a processing beam.
  • a regular intensity distribution enables the workpiece to be processed in a regular manner.
  • the regular intensity distribution generated by the hologram in the focal plane enables particularly homogeneous and regular material modifications to be produced using a particularly simple optical concept, even without classic interferometer structures. In particular, there is no need to bring spatially separated partial laser beams into alignment and interference within their coherence time, as the hologram already provides the interference pattern.
  • the hologram can be designed to modulate the phase of the partial laser beams.
  • a modulation of the phase can in particular mean a regular or periodic change in the phase of the laser beam. This can result in a regular intensity distribution in the focal plane.
  • Such regular intensity distributions can, for example, consist of local intensity maxima distributed on a grid.
  • the local intensity maxima can have a line geometry or a hexagonal geometry or a circular or elliptical geometry.
  • a grid describes the regular arrangement of the local intensity maxima.
  • a grid can be described by specifying a unit cell.
  • the grid can have a cubic unit cell in which the local intensity maxima lie on the corners of a square.
  • each local intensity maximum can have the shape of a line, a hexagon, an ellipse or another geometric figure.
  • the hologram can be a reflective or transmissive hologram.
  • the hologram can be designed to transmit the laser beam in transmission or in reflection from the laser to the imaging optics.
  • the hologram can transmit the incident laser beam so that the laser beam propagates through the hologram and is modulated in the process.
  • the laser beam can be modulated on the hologram so that the laser beam does not penetrate the hologram but is reflected by it.
  • the hologram can be a mirror that is not flat but has a regular pattern.
  • the hologram can have a phase pattern, in particular a binary phase pattern, which is designed to impart a location-dependent phase difference to the incoming laser beam.
  • phase quantization of the hologram The number of different phase shifts that can be generated with the hologram is determined by the so-called phase quantization of the hologram.
  • phase quantization of 2 the hologram 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 hologram of four, four different phase shifts can be generated, for example 0°, 90°, 180°, 270°. However, it is also possible for the hologram to enable, for example, 8 or 16 different phase shifts between the partial laser beams.
  • a first modulation region of the hologram can have a first material thickness and a second modulation region can have a second material thickness. If the hologram is 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 modulation regions have a phase difference of 180°.
  • the laser beam it is also possible for the laser beam to be transmitted through a hologram of different thicknesses, with the modulation areas of different thicknesses providing 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 phase pattern of the hologram can be expressed in one or two dimensions.
  • a phase pattern in one dimension produces a regular phase pattern in one direction in the focal plane.
  • a phase pattern in two dimensions produces a regular phase pattern in two different directions in the focal plane.
  • a one-dimensional phase pattern can look like zebra stripes.
  • a two-dimensional phase pattern can look like a checkerboard pattern or like concentric rings.
  • the regular phase modulation can be realized by periodically continuing the phase modulation of a phase unit cell.
  • the phase pattern is created by a periodic continuation of a phase unit cell.
  • This phase unit cell can be continued on a Cartesian grid or a hexagonal grid, for example.
  • Cartesian periodic continuations are also possible, for example line grids. Periodic continuations in the radial direction are also conceivable.
  • the phase modulation of a phase unit cell of the hologram can have the function of a lens, for example an asphere, a sphere or an axicon in a convex or concave design.
  • the phase modulation can have a period of a sinusoidal oscillation or a rectangular oscillation or a sawtooth oscillation. Furthermore, any phase modulation of a unit cell is conceivable.
  • each phase unit cell provides the optical function of an asphere through phase modulation.
  • the various “aspheres” or phase unit cells are arranged on a grid.
  • phase unit cell can therefore also mean that the phase unit cells are placed next to one another in one or two dimensions.
  • the phase unit cell can have the function of a lens.
  • the size of a phase unit cell can, for example, be between 0.01 mm and 5 mm.
  • the size can indicate the maximum extension of the unit cell.
  • the hologram can be a spatial light modulator or a diffractive optical element.
  • the hologram can be realized as a freeform optic or component, where the height profile of a unit cell is produced as a continuous profile.
  • the hologram can be a so-called geometric phase hologram, in which the phase of the light is modulated depending on the polarization state.
  • Such geometric phase holograms can be written via fs-induced nanostructures in quartz glass, see, for example, Kim, Jihwan, et al. "Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts.” Optica 2.11 (2015): 958-964.
  • 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 through 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.
  • the spatial light modulator can also be a digital micromirror device.
  • 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.
  • the device can have a feed device.
  • a feed device can be designed to move the laser beam, in particular the processing beam, and the workpiece relative to one another with a feed, wherein the feed device preferably comprises a scanner device and/or an axis device, wherein the scanner device preferably comprises an AOM (acoustic optic modulator) and/or a galvano scanner and/or a polygon scanner.
  • AOM acoustic optic modulator
  • Movable relative to one another means that the processing beam can be moved translationally relative to a stationary workpiece and the workpiece can be moved relative to the processing beam, or both the workpiece and the processing beam move.
  • the laser pulses lie in particular 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 workpiece surface.
  • the processing beam can be moved along with a feed while the laser pulses are emitted into or onto the workpiece, so that the They can be arranged in regular intensity distributions or even overlapped to enable uniform and flat processing of the workpiece.
  • the axis device can be used, for example, to move the workpiece mechanically, while a scanner device moves the processing beam over the workpiece.
  • 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 it can be in the form of 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 deflection angle depend, among other things, on the wavelength of the acoustic wave and thus on the frequency of the applied alternating voltage.
  • Electro-optical deflectors are based on prisms made of electro-optical crystals. Applying a voltage changes the refractive index of the electro-optical crystal, 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 at 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 processing beam relative to the workpiece, so that successively emitted laser pulses process the workpiece at different locations. Accordingly, the The processing beam covers the entire surface of the workpiece and thus carries out surface material processing.
  • the imaging 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 hologram, 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 in this way makes it possible to create a so-called 4f optic.
  • This makes it possible to transfer the modulated light of the hologram, in particular possible location and angle deviations of the laser beam, into a corresponding imaging plane.
  • This can, for example, make it possible to enlarge or reduce the regular intensity distribution, so that a larger or smaller area of the workpiece can be processed in the focal 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 generate a line-shaped, regular intensity distribution on the workpiece.
  • the first lens of the focusing optics can be a cylindrical lens that is designed to generate an intensity-modulated, line-shaped, regular intensity distribution on the workpiece.
  • the regular intensity distribution of the laser beam in the focal plane can be stretched in one direction.
  • the cylindrical line can generate a linear, regular intensity distribution in the focal 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 focal plane.
  • the imaging optics can have a reduction factor M with which the regular intensity distribution in the focal plane is imaged.
  • the reduction factor can be between 1.1 and 40.
  • the reduction factor of the imaging optics can be used to create a focal plane with a particularly high intensity in or on the workpiece.
  • the device can have a beam shaping device.
  • a beam shaping device can be designed to impose a beam shape on the laser beam, in particular to impose a flat-top beam shape, wherein the beam shaping device is preferably arranged in front of the hologram.
  • each partial laser beam can be given a corresponding beam shape.
  • 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.
  • the device can have a first telescope that is designed to adjust the beam diameter of the laser beam on the beam shaping device. In particular, the diameter of the shaped laser beam can thereby be adjusted.
  • the device can have a second telescope that is designed to adjust the beam diameter of the laser beam on the hologram. This makes it possible to adjust the size of the regular intensity distribution on the workpiece in addition to the imaging optics.
  • surface structuring can change the optical properties of the material, such as color or gloss, transmittance, Absorption level or reflection level. It is also possible that the surface structuring changes the tribological properties, i.e. properties relating to wear, friction or lubrication of surfaces. It is possible that the surface texturing changes the liquid-repellent properties of the surface or the anti-fog properties of the workpiece.
  • Surface texturing can change the haptic properties of the workpiece.
  • Other properties that can be improved or at least changed include surface hardness, weather resistance, corrosion protection, chemical resistance, etc.
  • the chemical reactivity of the workpiece can also be changed, in particular increased. For example, roughened surfaces and the associated increase in the surface area of the workpiece can enable more efficient reactions in batteries.
  • the main advantage of the described device for surface texturing of workpieces is that the typically used interferometer optics, which require a lot of effort for beam splitting, path length adjustment and beam merging, are replaced by a much simpler optics concept.
  • the interference pattern required for processing is realized by using the hologram in the beam path, behind which the said interference pattern is directly generated by the periodic phase modulation.
  • the spatial illumination of the hologram i.e. the diameter of the raw beam or the beam-shaped laser beam, determines the diameter of the regular intensity distribution of the surface structured on the workpiece by the interference pattern without feed.
  • a telescope with variable or stationary magnification can be used in front of the hologram.
  • Another way to adjust the diameter of the interference pattern on the workpiece is to choose the magnification factor, i.e. the ratio of the focal lengths of the lenses that make up the 4f setup mentioned above.
  • the diameter of the interference pattern on the workpiece can be between 0.05mm and 100mm.
  • the line length on the workpiece can be between 0.2 mm and 1000 mm.
  • the device is particularly suitable for illuminating large areas simultaneously with the intensity pattern.
  • large area rates can also be achieved.
  • a method for processing a workpiece, in particular for imparting surface 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 guided through a hologram, wherein the laser beam is converted into a plurality of partial laser beams and these interfere with one another, wherein the partial laser beams are focused as a processing beam with imaging optics in a focal plane on or in the workpiece, wherein the workpiece is exposed to the processing beam and is thereby processed.
  • a regular intensity distribution is impressed on the processing beam by the hologram in the focal plane.
  • the workpiece and the processing beam can be moved relative to each other along a feed trajectory. This makes it possible to process larger areas of the workpiece surface.
  • the regular intensity distributions of different, especially successive laser pulses can overlap.
  • the material modifications that are created on or in the workpiece can also overlap.
  • flat sections of the workpiece can be machined. It is also possible to machine the entire surface of the workpiece.
  • the regular intensity distributions can cover a surface-wide section of the workpiece.
  • a surface-wide section means that a contiguous area with the extent of at least two regular intensity distributions has been processed, while full-surface processing of the surface of the workpiece means processing at least the side facing the processing beam. This enables particularly simple surface-wide processing of the material.
  • the size of the regular intensity distribution of the processing beam in the focal plane can be determined by the size of the illumination of the hologram. This enables particularly simple and flexible control of the material processing.
  • Figure 1 is a schematic representation of the device of an embodiment
  • Figures 2A, B, C are schematic representations of the operation of a beam shaping device
  • Figures 3A, B, C, D, E show schematic representations of different holograms and corresponding regular intensity distributions after passing through the imaging optics;
  • Figure 3F schematic representation of a regular intensity distribution in different focal planes
  • Figure 4 is a schematic representation of the regular intensity distribution after passing through the imaging optics when a cylindrical lens is used as the first lens
  • FIG. 5 is a schematic representation of the method according to the invention. Detailed description of preferred embodiments
  • Figure 1 shows an embodiment of the proposed device.
  • the device has a laser 1 which provides a laser beam 10.
  • This laser beam 10 is received by a hologram 2, converted into a plurality of partial laser beams and then caused to interfere.
  • This interference pattern is then imaged as a processing beam 14 by an imaging optics 3 in the focal plane on or in a workpiece 4.
  • the intensity distribution of the processing beam 12 in the focal plane is a regular focus distribution I.
  • regularly arranged material modifications are generated in the focal plane on or in the workpiece 4, which provide a functionalization of the surface of the workpiece 4.
  • the device additionally has a beam shaping device 6 for the laser beam 10.
  • the laser beam 10 is guided through the beam shaping device 6 and thereby shaped.
  • the laser beam 10 of the laser 1 is thereby converted into a flat-top-shaped laser beam with a rectangular or elliptical geometry.
  • the beam shaping device can be implemented as a field mapper, e.g. by a so-called pi-shaper, see 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.
  • an imaging optics 3 is provided, which is, for example, a 4f imaging optics.
  • the imaging optics 3 comprises a first lens 30 and a second lens 32.
  • the first lens 30 is at a distance of the first focal length f1 of the first lens 30 from the hologram 2, while the second lens 32 is at a distance of the sum of the two focal lengths f1 and f2 of both lenses 30, 32 from the first lens 30.
  • the focal plane is then located approximately at a distance f2 in the beam propagation direction behind the second lens 32.
  • the first lens 32 to be designed as a cylindrical lens in order to image the interference pattern in only one dimension. This makes it particularly easy to generate interference-modulated line foci in order to apply them to the workpiece.
  • the device it is possible for it to comprise a scanner which is designed as a galvano scanner or as an AOM (not shown).
  • the second lens 32 typically performs an angle-to-location transformation of the laser beam 10, so that two partial laser beams 12 running at different angles in front of the second lens 32 are imaged behind the second lens 32 in two different locations in the focal plane. Accordingly, it is particularly advantageous to position the scanner which deflects the laser beam at a distance of the second focal length f2 in front of the second lens (not shown). The angular deflection by the scanner is thus translated into a location deflection in the focal plane.
  • the device additionally has a first telescope 7 in front of the beam shaping device 6 and a second telescope 7' after the beam shaping device 6.
  • the first telescope 7 can be designed to adjust the beam diameter of the incident laser beam on the beam shaping device 6. By adjusting the beam diameter of the laser beam 10 that hits the beam shaping device 6, the size of the intensity distribution of the outgoing laser beam can be adjusted particularly easily.
  • the second telescope 7' can be set up to adjust the size of the illuminated area on the hologram 2. This makes it possible, in particular, to adjust the size of the regular intensity distribution on the workpiece 4 in addition to the imaging optics 3.
  • the second telescope 7' can, for example, be designed 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.
  • FIG. 2A shows schematically the functioning of a flat-top 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 A 2 of the intensity maximum of the laser beam 10 or to its beam diameter, which was determined using the method of second moments, see ISO11146 1/2/3.
  • 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 can be separated 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 outgoing flattop laser beam 10' is formed.
  • the diameter of the outgoing flattop laser beam 10' can have a larger or smaller or the same diameter as the incident Gaussian laser beam 10.
  • different beam shapes can be generated using the same beam shaping device 6, see for example 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.
  • the incident laser beam 10 has a larger diameter than in Figure 2A.
  • edge elevations form on the intensity profile of the outgoing flat-top laser beam 10' after the beam shaping device 6.
  • the incident laser beam 10 has a smaller diameter than in Figure 2A.
  • the outgoing flattop laser beam 10' has a lower edge steepness.
  • Figures 3A, B, C, D, E show the phase modulations of the holograms 2 and the corresponding intensity distributions I with which the workpiece 4 can be exposed.
  • the hologram 2 in Figure 3A has phase unit cells that are arranged on a Cartesian grid.
  • the phase modulation of a phase unit cell has a lens-like shape.
  • an intensity distribution I is formed, which is imaged onto the workpiece 4 by the imaging optics 3.
  • the intensity distribution is firstly regular and secondly the intensity distribution has intensity maxima that are also arranged along a Cartesian grid.
  • Figure 3B shows a similar situation as in Figure 3A.
  • the distance between the unit cells is increased with lens-like modulation. Consequently, the resulting intensity pattern shows local intensity maxima with larger distances.
  • Figure 3C shows phase unit cells that are periodically continued in one dimension and whose phase modulation has a one-dimensional dependence.
  • a sine function is realized in the x-direction.
  • the resulting intensity distribution I has local intensity maxima in the form of lines.
  • Figure 3D shows a hexagonal array of phase unit cells with lens-like phase modulation. The resulting intensity pattern exhibits local intensity maxima at a hexagonal array.
  • Figure 3E also shows a hexagonal arrangement of unit cells with lens-like phase modulation.
  • the resulting regular intensity distribution exhibits local intensity maxima at a hexagonal arrangement.
  • Figure 3F shows another effect that occurs with the proposed device. It shows a regular intensity distribution as in Figure 3E, but at different propagation distances. Different propagation distances result in a different z-distance between the imaging optics and the workpiece.
  • the basic structure - i.e. the arrangement of the intensity maxima - of the regular intensity distribution is retained at different propagation distances. However, the shape of the local intensity maxima changes. For example, at all propagation distances z1 to z4, the local intensity maxima are arranged on a rhombic grid.
  • the shape of the local intensity maxima can be adjusted and thus different surface modifications can be introduced onto the workpiece 4.
  • Figure 4 shows the regular intensity distribution when a cylindrical lens is used as the first lens 30 of the imaging optics 3.
  • the hologram 2 used was that of Figure 3C.
  • the cylindrical lens 30 produces a linear intensity distribution that has regularly arranged maxima along its long axis.
  • FIG. 5A shows a corresponding method for processing a workpiece.
  • Laser pulses 100 are emitted with a laser 1, which form a laser beam 10.
  • the laser beam 10 is guided through a hologram 2 and is focused as a processing beam 14, for example reduced in size, onto or into the surface of the workpiece 4 using imaging optics 3.
  • the processing beam 14 strikes the workpiece 4 in the focal plane, thereby processing it.
  • the intensity distribution of the processing beam 14 has regularly arranged local intensity maxima, so that the surface of the workpiece 4 can be functionalized, for example.
  • the workpiece 4 can be displaced relative to the processing beam 14 along a trajectory 50 using a feed device 5, so that the regular intensity distribution I of the processing beam 14 covers the entire surface or part of the surface of the workpiece 4 successively.
  • the machining of the workpiece 4 can be carried out by overlapping material modifications. This means in particular that a first laser pulse with a regular intensity distribution I is introduced into the workpiece at a first location X1, while a second laser pulse with the regular intensity distribution I is introduced at a second location X2 of the workpiece.
  • Figure 5B shows that the regular intensity distributions I introduced one after the other can overlap in order to process the workpiece as evenly as possible.
  • the feed rate can be up to 10 m/s, for example, so that the surface of a workpiece 4 can be processed very quickly.

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Abstract

The invention relates to a device and a method for processing a workpiece (4), in particular for impressing a surface functionalization, using laser pulses (100) of a laser beam (10), comprising a laser (1), a hologram (2), and an optical imaging system (3), wherein the laser (1), in particular a short pulse laser or an ultrashort pulse laser, is designed to provide the laser beam (10) with the laser pulses (100) to the hologram (2), and the hologram (2) is designed to receive the laser beam (10), convert the laser beam (10) into a plurality of sub-laser beams (12), and bring same into interference and forward same to the optical imaging system (3). The optical imaging system (3) is designed to receive the sub-laser beams (12) of hologram (2) and focus the sub-laser beams onto a focal plane on or in the workpiece (4) as a processing beam (14), and the workpiece (40) is supplied with the processing beam (14) and is thus processed. The hologram (2) is additionally designed to impress a regular intensity distribution (I) onto the processing beam (14) on the focal plane.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks Device and method for machining a workpiece
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks. The present invention relates to a device and a method for machining a workpiece.
Stand der Technik State of the art
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 eines Laserstrahls eines Lasers verdampft oder verdichtet wird. Die so erzeugten Strukturen können beispielsweise linien-, punkt- oder tellerförmige Vertiefungen sein. Werden solche Strukturen in regelmäßiger Art und Weise auf oder in die Oberfläche des Werkstücks eingebracht, kann dadurch eine Funktionalisierung der Oberfläche des Werkstücks erreicht werden. Insbesondere können damit optische oder tribologische Eigenschaften der Werkstückoberfläche beeinflusst werden. It is known that during laser material processing, material can be removed from a workpiece by vaporizing or condensing the material within the focus zone of a laser beam through a strong light-matter interaction. The structures created in this way can be, for example, line-, point- or plate-shaped depressions. If such structures are introduced in a regular manner onto or into the surface of the workpiece, this can functionalize the surface of the workpiece. In particular, this can influence the optical or tribological properties of the workpiece surface.
Die zum Einbringen von regelmäßigen Strukturen genutzten optischen Anordnungen sind häufig als Interferometer realisiert, wobei ein von einem Laser emittierter Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und diese Teillaserstrahlen mit einem fokussierenden Element zur Ausbildung einer Strukturierung miteinander interferierend auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet sind. The optical arrangements used to introduce regular structures are often implemented as interferometers, whereby a laser beam emitted by a laser is split into at least two partial beams and these partial laser beams are directed onto the surface of the workpiece in an interfering manner using a focusing element to form a structure.
Die EP 3466598 B1 offenbart eine laseroptische Anordnung zur Laserinterferenzbearbeitung. EP 3466598 B1 discloses a laser optical arrangement for laser interference processing.
Die EP 3735332 B1 offenbart eine optische Anordnung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung.EP 3735332 B1 discloses an optical arrangement for direct laser interference structuring.
Die Vorrichtungen zum Bearbeiten eines Werkstücks müssen dabei immer gewährleisten, dass für die Teillaserstrahlen die Interferenzbedingungen eingehalten werden. So müssen die optischen Weglängenunterschiede der Teillaserstrahlen im gepulsten Laserbetrieb kleiner sein als die zeitliche Kohärenzlänge der verwendeten Pulse. Für kurze Laserpulse mit Pulsdauern kleiner als 10Ops müssen die Weglängenunterschiede daher geringer sein als 30mm, gemäß L = c * dT, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und dT die Pulsdauer ist. Für ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern im Bereich 100fs ergeben sich Weglängenunterschiede von 30|jm. Wenn die Weglänge der unterschiedlichen Teillaserstrahlen größer ist, dann können die Laserpulse in den einzelnen Teillaserstrahlen nicht miteinander interferieren, da die Laserpulse nicht gleichzeitig an einem Ort sind, an dem sie interferieren könnten. Für Interferometer-basierte Vorrichtungen ist ein solcher Abgleich der Weglängen sehr aufwändig, weswegen häufig lange Laserpulse mit einer Pulsdauer von mehr als 100ps verwendet werden müssen. The devices for processing a workpiece must always ensure that the interference conditions are met for the partial laser beams. The optical path length differences of the partial laser beams in pulsed laser operation must be smaller than the temporal coherence length of the pulses used. For short laser pulses with pulse durations of less than 10Ops, the path length differences must therefore be less than 30mm, according to L = c * dT, where c is the speed of light and dT is the pulse duration. For ultrashort laser pulses with pulse durations in the In the range of 100fs, path length differences of 30|jm result. If the path length of the different partial laser beams is larger, then the laser pulses in the individual partial laser beams cannot interfere with each other, because the laser pulses are not simultaneously in a place where they could interfere. For interferometer-based devices, such an adjustment of the path lengths is very complex, which is why long laser pulses with a pulse duration of more than 100ps often have to be used.
Darstellung der Erfindung Description of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen. Based on the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for machining a workpiece, as well as a corresponding method.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. The object is achieved by a device for machining a workpiece with the features of claim 1. Advantageous further developments emerge from the subclaims, the description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum Aufprägen einer Oberflächenfunktionalisierung, mittels Laserpulsen eines Laserstrahls vorgeschlagen, umfassend einen Laser, ein Hologramm und eine Abbildungsoptik. Der Laser, insbesondere ein Kurzpulslaser oder ein Ultrakurzpulslaser, ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl mit den Laserpulsen dem Hologramm bereitzustellen. Das Hologramm ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl zu empfangen, den Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen zu überführen und diese zur Interferenz zu bringen und an die Abbildungsoptik weiterzu leiten. Die Abbildungsoptik ist dazu eingerichtet, die Teillaserstrahlen zu empfangen und als Bearbeitungsstrahl in eine Fokusebene auf oder in das Werkstück zu fokussieren, wobei das Werkstück mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird. Erfindungsgemäß ist das Hologramm ferner dazu eingerichtet, dem Bearbeitungsstrahl in der Fokusebene eine regelmäßige Intensitätsverteilung aufzuprägen, bevorzugt eine hochfrequente, periodische Intensitätsverteilung aufzuprägen. Accordingly, a device for processing a workpiece, in particular for imparting surface functionalization, by means of laser pulses of a laser beam is proposed, comprising a laser, a hologram and an imaging optics. The laser, in particular a short-pulse laser or an ultra-short-pulse laser, is designed to provide the laser beam with the laser pulses to the hologram. The hologram is designed to receive the laser beam, convert the laser beam into a plurality of partial laser beams and cause them to interfere and pass them on to the imaging optics. The imaging optics are designed to receive the partial laser beams and focus them as a processing beam in a focal plane on or in the workpiece, wherein the workpiece is exposed to the processing beam and is thereby processed. According to the invention, the hologram is further designed to impart a regular intensity distribution to the processing beam in the focal plane, preferably a high-frequency, periodic intensity distribution.
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 100fs und 100ps betragen. Die Wellenlänge der Laserpulse kann zwischen 300nm und 3000nm betragen, bevorzugt zwischen 900nm und 2200nm betragen. 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 100fs and 100ps. The wavelength of the laser pulses can be between 300nm and 3000nm, preferably between 900nm and 2200nm.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Laserbursts zur Verfügung stellen, wobei jederInstead of individual laser pulses, the laser can also provide laser bursts, with each
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. Burst involves the emission of several laser pulses. For a certain time interval, the Emitting the laser pulses very closely, at intervals of a few picoseconds to nanoseconds, one after the other. The laser bursts can be GHz bursts in particular, where the sequence of successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range. A burst can, for example, 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.
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. The repetition rate of the laser pulses and/or the laser bursts can be greater than 1 kHz, preferably greater than 10 kHz. For example, 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.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann größer als 1 p J sein, beispielswiese 2pJ oder 2mJ sein. The pulse energy of the laser pulses can be greater than 1 pJ, for example 2pJ or 2mJ.
Der Durchmesser des von dem Laser bereitgestellten Laserstrahls kann größer als 0,1 mm sein, beispielsweise 1 mm oder 15mm betragen. The diameter of the laser beam provided by the laser can be larger than 0.1 mm, for example 1 mm or 15 mm.
Der Laserstrahl des Lasers durchläuft zunächst das Hologramm. Ein solches Hologramm ist dazu eingerichtet den Laserstrahl zu modulieren. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die Phase des Laserstrahls moduliert und 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 aufweisen kann. Insbesondere kann hierbei die Strahlausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen von der des eingehenden Laserstrahls abweichen. The laser beam of the laser first passes through the hologram. Such a hologram is designed to modulate the laser beam. In particular, this can mean that the phase of the laser beam is modulated and the laser beam is converted into a large number of partial laser beams, whereby each partial laser beam can have its own propagation direction and/or its own intensity and/or its own phase front. In particular, the beam propagation direction of the partial laser beams can differ from that of the incoming laser beam.
Die Teillaserstrahlen beginnen nach dem Hologramm miteinander zu interferieren und bilden durch eine periodische Fortsetzung der Phasenmanipulation ein regelmäßiges Interferenzmuster, dass sich unmittelbar nach dem Hologramm im Nahfeld ausbilden kann. The partial laser beams begin to interfere with each other after the hologram and, through a periodic continuation of the phase manipulation, form a regular interference pattern that can form in the near field immediately after the hologram.
Indem alle Teillaserstrahlen durch dasselbe Hologramm erzeugt werden, sind die Weglängenunterschiede der Teillaserstrahlen unproblematisch. Die Pulse die in den Teillaserstrahlen laufen können dadurch besonders einfach miteinander interferieren, unabhängig von der Pulslänge. Because all partial laser beams are generated by the same hologram, the differences in the path lengths of the partial laser beams are not a problem. The pulses that run in the partial laser beams can therefore easily interfere with each other, regardless of the pulse length.
Die Teillaserstrahlen werden durch die Abbildungsoptik in oder auf das Material eingebracht, wodurch ein Bearbeitungsstrahl bereitgestellt wird. Die Energie des Bearbeitungsstrahls wird in dem Material absorbiert oder teilweise absorbiert, beispielsweise durch lineare Wechselwirkungen oder nichtlineare Wechselwirkungen, insbesondere durch Multiphotonprozesse. Der Fokus der Teillaserstrahlen, die den Bearbeitungsstrahl ausbilden, kann dabei in Strahlausbreitungsrichtung auf oder in dem Werkstück liegen. Der Fokus liegt hierbei auf dem Werkstück, wenn die Fokusebene genau mit der Oberfläche des Werkstücks zusammenfällt. Der Fokus liegt in dem Werkstück, wenn die Fokusebene 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. The partial laser beams are introduced into or onto the material through the imaging optics, thereby providing a processing beam. The energy of the processing beam is absorbed or partially absorbed in the material, for example through linear interactions or non-linear interactions, in particular through multiphoton processes. The focus of the partial laser beams that form the processing beam can be on or in 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. The focus is in the workpiece if the focal plane is above or below the surface in the direction of beam propagation, while the surface is still being processed. In particular, the focus position can be within ten times the Rayleigh length from the surface.
Die Rayleigh-Länge ist die Distanz entlang der optischen Achse, die ein Laserstrahl braucht, bis sich seine Querschnittsfläche ausgehend von der Strahltaille beziehungsweise dem Fokus verdoppelt. 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 focus.
Insbesondere kann der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen als eine gezielte Intensitätsüberhöhung verstanden werden, wobei die Laserenergie in mindestens eine „Fokuszone“ konvergiert. Im Falle mehrerer Fokuszonen liegen diese bevorzugt in einer Fokusebene. In particular, the term "focus" can generally be understood as a targeted increase in intensity, whereby the laser energy converges in at least one "focus zone". In the case of several focus zones, these are preferably located in one focal plane.
Im Folgenden wird 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 mindestens einen Fokuszone entlang der Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Fokuszone quasi punktförmig sein und einen Gauß-förmigen Intensitätsquerschnitt aufweisen, wie er von einem Gauß’schen Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird. Die mindestens eine 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. In the following, the term "focus" is used independently of the beam shape actually used and the methods for bringing about an intensity increase. Focusing can also influence the location of the at least one focus zone along the beam propagation direction. For example, the at least one focus zone can be quasi point-shaped and have a Gaussian intensity cross-section, as provided by a Gaussian laser beam. The at least one focus zone can also be linear or rectangular, or have the shape of an Airy distribution. Furthermore, 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.
Durch die im Material absorbierte Energie des Bearbeitungsstrahls in der mindestens einen Fokuszone erwärmt sich das Material entsprechend der Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls und/oder geht wegen der elektromagnetischen Wechselwirkung des Bearbeitungsstrahls mit dem Material in einen temporären Plasmazustand über. Due to the energy of the processing beam absorbed in the material in the at least one focus zone, the material heats up according to the intensity distribution of the processing beam and/or changes into a temporary plasma state due to the electromagnetic interaction of the processing beam with the material.
Neben linearen Absorptionsprozessen können also auch nicht-lineare Absorptionsprozesse verwendet werden, die durch die Nutzung hoher Laserenergien beziehungsweise Laserintensitäten zugänglich werden. Das Material wir dementsprechend durch den Bearbeitungsstrahl besonders in der mindestens einen Fokuszone 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 Bearbeitungsstrahl und dem zu bearbeitenden Material des Werkstücks an sich bekannte Bearbeitungsprozesse möglich, die beispielsweise als Laserbohren, Perkussionsbohren, Laserablation, Absprengen oder Verdichten bekannt sind. In addition to linear absorption processes, non-linear absorption processes can also be used, which are made accessible by using high laser energies or laser intensities. The material is modified by the processing beam, particularly in the at least one focus zone, since the intensity of the laser beam is greatest there. In particular, this can result in part of the material being released from the composite of the workpiece material, for example by melting or evaporating. This means that there are no significant differences in the interaction between the processing beam and the material to be processed. For the material of the workpiece to be machined, known machining processes are possible, such as laser drilling, percussion drilling, laser ablation, blasting or compaction.
Die Modifikationen des Werkstücks durch den Bearbeitungsstrahl werden Materialmodifikationen genannt. Mit einem Laserpuls beziehungsweise einem Laserburst kann 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 Bearbeitungsstrahls eine kritische, materialspezifische Bearbeitungsschwelle überschreitet. Dementsprechend ist die Form und Gestalt des Bearbeitungsstrahls, insbesondere die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls in der Fokusebene ausschlaggebend für die Form und Gestalt der Materialmodifikation. The modifications to the workpiece by the processing beam are called material modifications. 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 workpiece material on the surface by the irradiated laser intensity. The material of the workpiece is evaporated in particular where the intensity of the processing beam exceeds a critical, material-specific processing threshold. Accordingly, the form and shape of the processing beam, in particular the intensity distribution of the processing beam in the focal plane, are crucial for the form and shape of the material modification.
Der Laserstrahl weist vor dem Auftreffen auf das Hologramm beispielsweise ein Gauß'sches Strahlprofil oder ein Supergaußprofil auf. Insbesondere kann der Laserstrahl auch ein Supergaußähnliches Profil mit Randüberhöhungen oder ein Ringprofil aufweisen. Before hitting the hologram, the laser beam has, for example, a Gaussian beam profile or a super-Gaussian profile. In particular, the laser beam can also have a super-Gaussian-like profile with raised edges or a ring profile.
Um die Fokuszone 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 Bearbeitungsstrahls 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. A certain spatial area is formed around the focus zone in which the laser energy is above the critical processing threshold. In other words, in the intensity distribution of the processing beam in the focus there is an iso-intensity area within which the material can be vaporized. This iso-intensity area thus determines the form and shape of the material modification. In particular, 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.
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. In particular, the cross-section of the material modifications in the plane perpendicular to the surface can also be round or rounded. However, 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 slope, so that an essentially rectangular cross-section of the material modification results in the plane perpendicular to the material surface. For example, such a material modification can also have a uniform depth.
Das Material des Werkstücks kann hierbei beispielsweise ein Polymer oder ein Kunststoff sein. Das 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, Quarzglas oder ein Aluminosilikatglas sein. 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. For example, the material can be a silicon wafer. However, it is It is also possible for the material to comprise any metal, for example aluminum, magnesium, titanium, iron, or a steel alloy. In particular, the material can be a layer system, with each layer being selected from the group of any metals, polymers, plastics, or semiconductors. In particular, the material can also be a glass, for example sapphire, quartz glass, or an aluminosilicate glass.
Das Hologramm ist dazu eingerichtet dem eintreffenden Laserstrahl in der Fokusebene dann als Bearbeitungsstrahl eine regelmäßige Intensitätsverteilung aufzuprägen. Eine regelmäßige Intensitätsverteilung ermöglicht es insbesondere eine regelmäßige Bearbeitung des Werkstücks vorzunehmen. Durch die mit dem Hologramm in der Fokusebene erzeugte regelmäßige Intensitätsverteilung können besonders homogene und regelmäßige Materialmodifikationen durch ein besonders einfaches Optikkonzept auch ohne klassische Interferometeraufbauten erzeugt werden. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit räumlich separierte Teillaserstrahlen innerhalb ihrer Kohärenzzeit zur Deckung und zur Interferenz zu bringen, da das Hologramm bereits das Interferenzmuster bereitstellt. The hologram is designed to impose a regular intensity distribution on the incoming laser beam in the focal plane as a processing beam. A regular intensity distribution enables the workpiece to be processed in a regular manner. The regular intensity distribution generated by the hologram in the focal plane enables particularly homogeneous and regular material modifications to be produced using a particularly simple optical concept, even without classic interferometer structures. In particular, there is no need to bring spatially separated partial laser beams into alignment and interference within their coherence time, as the hologram already provides the interference pattern.
Das Hologramm kann dazu eingerichtet sein, die Phase der Teillaserstrahlen zu modulieren. The hologram can be designed to modulate the phase of the partial laser beams.
Eine Modulation der Phase kann insbesondere eine regelmäßige oder periodische Veränderung der Phase des Laserstrahls bedeuten. Dadurch kann in der Fokusebene eine regelmäßige Intensitätsverteilung entsteht. A modulation of the phase can in particular mean a regular or periodic change in the phase of the laser beam. This can result in a regular intensity distribution in the focal plane.
Solche regelmäßigen Intensitätsverteilungen können sich zum Beispiel aus lokalen Intensitätsmaxima zusammensetzen, die auf einem Gitter verteilt sind. Fernerhin können die lokalen Intensitätsmaxima eine Liniengeometrie oder eine hexagonale Geometrie oder eine Kreisoder Ellipsengeometrie aufweisen. Such regular intensity distributions can, for example, consist of local intensity maxima distributed on a grid. Furthermore, the local intensity maxima can have a line geometry or a hexagonal geometry or a circular or elliptical geometry.
Ein Gitter beschreibt hier die regelmäßige Anordnung der lokalen Intensitätsmaxima. Typischerweise kann ein Gitter durch die Angabe einer Einheitszelle beschrieben werden. Beispielsweise kann das Gitter eine kubische Einheitszelle aufweisen, bei dem die lokalen Intensitätsmaxima auf den Ecken eines Quadrats liegen. Jedes lokale Intensitätsmaximum kann hierbei aber die Form einer Linie, eines Hexagons, einer Ellipse oder einer anderen geometrischen Figur aufweisen. A grid describes the regular arrangement of the local intensity maxima. Typically, a grid can be described by specifying a unit cell. For example, the grid can have a cubic unit cell in which the local intensity maxima lie on the corners of a square. However, each local intensity maximum can have the shape of a line, a hexagon, an ellipse or another geometric figure.
Das Hologramm kann ein reflexives odertransmissives Hologramm sein. Mit anderen Worten kann das Hologramm dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl in Transmission oder in Reflexion von dem Laser an die Abbildungsoptik weiterzuleiten. Beispielsweise kann das Hologramm den einfallenden Laserstrahl transmittieren, so dass der Laserstrahl durch das Hologramm hindurch propagiert und dabei moduliert wird. Beispielsweise kann der Laserstrahl an dem Hologramm moduliert werden, so dass der der Laserstrahl das Hologramm nicht durchdringt, sondern daran reflektiert wird. Beispielsweise kann das Hologramm ein Spiegel sein, der nicht plan ist, sondern ein regelmäßiges Muster aufweist. The hologram can be a reflective or transmissive hologram. In other words, the hologram can be designed to transmit the laser beam in transmission or in reflection from the laser to the imaging optics. For example, the hologram can transmit the incident laser beam so that the laser beam propagates through the hologram and is modulated in the process. For example, the laser beam can be modulated on the hologram so that the laser beam does not penetrate the hologram but is reflected by it. For example, the hologram can be a mirror that is not flat but has a regular pattern.
Das Hologramm kann ein Phasenmuster, insbesondere ein binäres Phasenmuster, aufweisen, dass dazu eingerichtet ist, dem eintreffenden Laserstrahl eine ortsabhängige Phasendifferenz aufzuprägen. The hologram can have a phase pattern, in particular a binary phase pattern, which is designed to impart a location-dependent phase difference to the incoming laser beam.
Die Anzahl der mit dem Hologramm erzeugbaren unterschiedlichen Phasenversätze wird durch die sogenannte Phasenquantisierung des Hologramms bestimmt. Bei einer Phasenquantisierung von 2 weist das Hologramm ein binäres Phasenmuster auf. Mit einem binären Phasenmuster können nur zwei Phasenversätze zwischen den Teillaserstrahlen erzeugt werden, beispielsweise 0° und 180°. Bei einer Phasenquantisierung des Hologramms von vier können vier unterschiedliche Phasenversätze erzeugt werden, beispielsweise 0°, 90°, 180°, 270°. Es ist aber auch möglich, dass das Hologramm beispielsweise 8 oder 16 verschiedene Phasenversätze zwischen den Teillaserstrahlen ermöglicht. The number of different phase shifts that can be generated with the hologram is determined by the so-called phase quantization of the hologram. With a phase quantization of 2, the hologram 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 hologram of four, four different phase shifts can be generated, for example 0°, 90°, 180°, 270°. However, it is also possible for the hologram to enable, for example, 8 or 16 different phase shifts between the partial laser beams.
Beispielsweise kann ein erster Modulationsbereich des Hologramms eine erste Materialdicke aufweisen und ein zweiter Modulationsbereich kann eine zweite Materialdicke aufweisen. Wenn das Hologramm 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 Modulationsbereichen benachbarte Teillaserstrahlen einen Phasenunterschied von 180° auf. For example, a first modulation region of the hologram can have a first material thickness and a second modulation region can have a second material thickness. If the hologram is 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 modulation regions have a phase difference of 180°.
Es ist aber auch möglich, dass der Laserstrahl durch ein Hologramm mit unterschiedlicher Dicke transmittiert wird, wobei die unterschiedlich dicken Modulationsbereiche unterschiedlich lange optische Weglängen bereitstellen. Sind die optischen Weglängen um eine halbe Wellenlänge verschieden, so weisen die Teillaserstrahlen einen Phasenunterschied von 180° auf. However, it is also possible for the laser beam to be transmitted through a hologram of different thicknesses, with the modulation areas of different thicknesses providing 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°.
Das Phasenmuster des Hologramms kann in einer oder zwei Dimensionen ausgeprägt sein. The phase pattern of the hologram can be expressed in one or two dimensions.
Ein Phasenmuster in einer Dimension erzeugt ein in einer Richtung in der Fokusebene regelmäßiges Phasenmuster. Ein Phasenmuster in zwei Dimensionen erzeugt ein in zwei unterschiedlichen Richtungen in der Fokusebene regelmäßiges Phasenmuster. Beispielsweise kann ein eindimensionales Phasenmuster aussehen wie Zebrastreifen.A phase pattern in one dimension produces a regular phase pattern in one direction in the focal plane. A phase pattern in two dimensions produces a regular phase pattern in two different directions in the focal plane. For example, a one-dimensional phase pattern can look like zebra stripes.
Beispielsweise kann ein zweidimensionales Phasenmuster aussehen wie ein Schachbrett-Muster oder wie konzentrische Ringe. For example, a two-dimensional phase pattern can look like a checkerboard pattern or like concentric rings.
Die regelmäßige Phasenmodulation kann durch periodische Fortsetzung der Phasenmodulation einer Phaseneinheitszelle realisiert werden. Mit anderen Worten entsteht das Phasenmuster durch eine periodische Fortsetzung einer Phaseneinheitszelle. The regular phase modulation can be realized by periodically continuing the phase modulation of a phase unit cell. In other words, the phase pattern is created by a periodic continuation of a phase unit cell.
Diese Phaseneinheitszelle kann beispielsweise auf einem kartesischen Gitter, oder einem hexagonalen Gitter fortgesetzt sein. Fernerhin sind auch eindimensional-kartesische periodische Fortsetzungen möglich, beispielsweise Liniengitter. Außerdem sind periodische Fortsetzungen in radialer Richtung denkbar. This phase unit cell can be continued on a Cartesian grid or a hexagonal grid, for example. Furthermore, one-dimensional Cartesian periodic continuations are also possible, for example line grids. Periodic continuations in the radial direction are also conceivable.
Die Phasenmodulation einer Phaseneinheitszelle des Hologramms kann dabei die Funktion einer Linse, beispielsweise einer Asphäre, einer Sphäre oder eines Axicons in konvexer oder konkaver Ausführung aufweisen. Die Phasenmodulation kann eine Periode einer Sinusschwingung oder einer Rechteckschwingung oder einer Sägezahnschwingung aufweisen. Fernerhin sind beliebige Phasenmodulationen einer Einheitszelle denkbar. The phase modulation of a phase unit cell of the hologram can have the function of a lens, for example an asphere, a sphere or an axicon in a convex or concave design. The phase modulation can have a period of a sinusoidal oscillation or a rectangular oscillation or a sawtooth oscillation. Furthermore, any phase modulation of a unit cell is conceivable.
Mit anderen Worten stelle jede Phaseneinheitszelle durch die Phasenmodulation die optische Funktion einer Asphäre bereit. Die verschiedenen „Asphären“ beziehungsweise Phaseneinheitszellen sind hierbei auf einem Gitter angeordnet. In other words, each phase unit cell provides the optical function of an asphere through phase modulation. The various “aspheres” or phase unit cells are arranged on a grid.
Eine periodische Fortsetzung einer Phaseneinheitszelle kann demnach auch bedeuten, dass in einer oder zwei Dimensionen die Phaseneinheitszellen aneinandergesetzt werden. Beispielsweise kann die Phaseneinheitszelle die Funktion einer Linse aufweisen. Durch ein periodisches Fortsetzen einer solchen Einheitszelle gelangt man zu einem Array von Linsen, die beispielsweise auf den Ecken eines Rechtecks oder eines Dreiecks liegen. A periodic continuation of a phase unit cell can therefore also mean that the phase unit cells are placed next to one another in one or two dimensions. For example, the phase unit cell can have the function of a lens. By periodically continuing such a unit cell, one arrives at an array of lenses that lie, for example, on the corners of a rectangle or a triangle.
Die Größe einer Phaseneinheitszelle kann beispielsweise zwischen 0.01 mm bis 5 mm betragen. Die Größe kann hierbei die maximale Ausdehnung der Einheitszelle angeben. The size of a phase unit cell can, for example, be between 0.01 mm and 5 mm. The size can indicate the maximum extension of the unit cell.
Das Hologramm kann ein räumlicher Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element sein. Außerdem kann das Hologramm als Freiformoptik oder -komponente realisiert sein, wobei das Höhenprofil einer Einheitszelle als kontinuierliches Profil hergestellt wurde. The hologram can be a spatial light modulator or a diffractive optical element. In addition, the hologram can be realized as a freeform optic or component, where the height profile of a unit cell is produced as a continuous profile.
Fernerhin kann das Hologram ein sogenanntes geometrisches Phasenhologram sein, bei dem die Phase des Lichts abhängig vom Polarisationzustand moduliert wird. Solche geometrischen Phasenhologramme können über fs-induzierte Nanostrukturen in Quarzglas geschrieben werden, siehe beispielsweise Kim, Jihwan, et al. "Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts." Optica 2.11 (2015): 958-964. Furthermore, the hologram can be a so-called geometric phase hologram, in which the phase of the light is modulated depending on the polarization state. Such geometric phase holograms can be written via fs-induced nanostructures in quartz glass, see, for example, Kim, Jihwan, et al. "Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts." Optica 2.11 (2015): 958-964.
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. Der räumliche Lichtmodulator kann auch ein digitaler Mikrospiegel sein (engl. „Digital Micromirror Device“) 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 through their inherent structure or design. For example, a light modulator can also be a spatial light modulator whose cells or pixels influence the laser beam through adjustable birefringent properties. The spatial light modulator can also be a digital micromirror device.
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. 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. In contrast to an LCD-based spatial light modulator, a diffractive optical element is a fixed component that can be used to produce exactly one beam shape from the incident laser beam. Typically, a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the laser beam takes on the desired beam shape through diffraction.
Die Vorrichtung kann eine Vorschubvorrichtung aufweisen. Eine Vorschubvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl, insbesondere den Bearbeitungsstrahl, und das Werkstück relativ zueinander mit einem Vorschub zu bewegen, wobei die Vorschubvorrichtung bevorzugt eine Scannervorrichtung und/oder eine Achsvorrichtung umfasst, wobei die Scannervorrichtung bevorzugt einen AOM (acoustic optic modulator) und/oder einen Galvano-Scanner und/oder ein Polygonscanner umfasst. The device can have a feed device. A feed device can be designed to move the laser beam, in particular the processing beam, and the workpiece relative to one another with a feed, wherein the feed device preferably comprises a scanner device and/or an axis device, wherein the scanner device preferably comprises an AOM (acoustic optic modulator) and/or a galvano scanner and/or a polygon scanner.
Relativ zueinander verschiebbar bedeutet, dass sowohl der Bearbeitungsstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Werkstück verschoben werden kann als auch das Werkstück relativ zum Bearbeitungsstrahl verschoben werden kann, öder es findet eine Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Bearbeitungsstrahls statt. Dadurch kann insbesondere die regelmäßige Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls an verschiedenen Orten des Werkstücks 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 Werkstückoberfläche ausgerichtet ist. Movable relative to one another means that the processing beam can be moved translationally relative to a stationary workpiece and the workpiece can be moved relative to the processing beam, or both the workpiece and the processing beam move. This means that the regular intensity distribution of the processing beam can be placed at different locations on the workpiece in order to introduce laser pulses. The laser pulses lie in particular on the so-called feed trajectory. For example, the feed trajectory can be straight or curved. In particular, 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 workpiece surface.
Beispielsweise kann dadurch der Bearbeitungsstrahl entlang mit einem Vorschub bewegt werden, während die Laserpulse in oder auf das Werkstück abgegeben werden, damit können die regelmäßigen Intensitätsverteilungen aneinander angeordnet werden, oder gar überlappen, um eine gleichmäßige und flächige Bearbeitung des Werkstücks zu ermöglichen. For example, the processing beam can be moved along with a feed while the laser pulses are emitted into or onto the workpiece, so that the They can be arranged in regular intensity distributions or even overlapped to enable uniform and flat processing of the workpiece.
Mit der Achsvorrichtung kann beispielsweise das Werkstück mechanisch bewegt werden, während mit einer Scannervorrichtung der Bearbeitungsstrahl über das Werkstück 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. The axis device can be used, for example, to move the workpiece mechanically, while a scanner device moves the processing beam over the workpiece. In particular, the axis device can be an XYZ table with stepper motor control. However, 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. However, the feed device can also be a roll-to-roll device.
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 hängen dabei unter anderem von der Wellenlänge der akustischen Welle ab und dadurch von der Frequenz der angelegten Wechselspannung. In an acousto-optical deflector, 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 it can be in the form of 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 deflection angle depend, among other things, on the wavelength of the acoustic wave and thus on the frequency of the applied alternating voltage.
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. Electro-optical deflectors are based on prisms made of electro-optical crystals. Applying a voltage changes the refractive index of the electro-optical crystal, 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 at a clock rate of over 1 MHz. Accordingly, several million repositionings of the laser pulse can take place per second. In particular, 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.
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. In a galvano scanner, a rotating mirror is used to reposition the laser beam with high accuracy and repeatability. In particular, 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.
Durch die Vorschubvorrichtung wird es insbesondere ermöglicht die Position des Bearbeitungsstrahls relativ zum Werkstück zu verändern, so dass sukzessiv abgegebene Laserpulse das Werkstück an unterschiedlichen Orten bearbeiten. Dementsprechend kann der Bearbeitungsstrahl die gesamte Oberfläche des Werkstücks überstreichen und somit eine flächige Materialbearbeitung vornehmen. The feed device makes it possible in particular to change the position of the processing beam relative to the workpiece, so that successively emitted laser pulses process the workpiece at different locations. Accordingly, the The processing beam covers the entire surface of the workpiece and thus carries out surface material processing.
Die Abbildungsoptik 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 zum Hologramm 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. The imaging 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 hologram, 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.
Insgesamt kann durch eine solche Positionierung der Komponenten eine sogenannte 4f-Optik realisiert werden. Dadurch ist es möglich, das modulierte Licht des Hologramms, insbesondere mögliche Orts- und Winkelabweichungen des Laserstrahls, in eine korrespondierende Abbildungsebene zu überführen. Dadurch kann beispielsweise eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung der regelmäßigen Intensitätsverteilung erreicht werden, so dass ein größerer oder kleinerer Bereich des Werkstücks in der Fokusebene bearbeitet werden kann. Insbesondere kann durch eine Verkleinerung der regelmäßigen Intensitätsverteilung 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. Overall, positioning the components in this way makes it possible to create a so-called 4f optic. This makes it possible to transfer the modulated light of the hologram, in particular possible location and angle deviations of the laser beam, into a corresponding imaging plane. This can, for example, make it possible to enlarge or reduce the regular intensity distribution, so that a larger or smaller area of the workpiece can be processed in the focal plane. In particular, by reducing the regular intensity distribution, the laser power can be concentrated on a smaller area, so that material processing is also possible with low-power laser systems. For example, the first and second lenses can have an aperture ratio of f100.
Die Fokussieroptik kann eine Zylinderlinse umfassen, die dazu eingerichtet ist, auf dem Werkstück eine linienförmige regelmäßige Intensitätsverteilung zu erzeugen. Insbesondere kann die erste Linse der Fokussieroptik eine Zylinderlinse sein, die dazu eingerichtet ist, auf dem Werkstück eine intensitätsmodulierte, linienförmige regelmäßige Intensitätsverteilung zu erzeugen. The focusing optics can comprise a cylindrical lens that is designed to generate a line-shaped, regular intensity distribution on the workpiece. In particular, the first lens of the focusing optics can be a cylindrical lens that is designed to generate an intensity-modulated, line-shaped, regular intensity distribution on the workpiece.
Indem die Fokussieroptik eine Zylinderlinse umfasst, kann die regelmäßige Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene in einer Richtung getreckt werden. Beispielsweise weist hierzu die Zylinderlinse in einer Richtung ein Öffnungsverhältnis von f200(Brennweite f=200mm) auf, während es in einer dazu senkrechten Richtung keine Brennweite aufweist. Insbesondere kann durch die Zylinderlinie eine linienförmige regelmäßige Intensitätsverteilung 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. Because the focusing optics include a cylindrical lens, the regular intensity distribution of the laser beam in the focal plane can be stretched in one direction. For example, the cylindrical lens has an aperture ratio of f200 (focal length f=200mm) in one direction, while it has no focal length in a direction perpendicular to this. In particular, the cylindrical line can generate a linear, regular intensity distribution in the focal 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 focal plane.
Dadurch kann ermöglicht werden, dass auch mit leistungsschwachen Lasersystemen noch eine entsprechende Materialbearbeitung erreicht werden kann. Die Abbildungsoptik kann einen Verkleinerungsfaktor M aufweisen, mit dem die regelmäßige Intensitätsverteilung in der Fokusebene abgebildet wird. Der Verkleinerungsfaktor kann dabei zwischen 1 ,1 und 40 liegen. This makes it possible to achieve appropriate material processing even with low-power laser systems. The imaging optics can have a reduction factor M with which the regular intensity distribution in the focal plane is imaged. The reduction factor can be between 1.1 and 40.
Insbesondere kann durch den Verkleinerungsfaktor der Abbildungsoptik in oder auf dem Werkstück eine Fokusebene mit einer besonders hohen Intensität realisiert. In particular, the reduction factor of the imaging optics can be used to create a focal plane with a particularly high intensity in or on the workpiece.
Die Vorrichtung kann eine Strahlformungsvorrichtung aufweisen. Eine Strahlformungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein dem Laserstrahl eine Strahlform aufzuprägen, insbesondere eine Flat- Top Strahlform aufzuprägen, wobei die Strahlformungsvorrichtung bevorzugt vor dem Hologramm angeordnet wird. The device can have a beam shaping device. A beam shaping device can be designed to impose a beam shape on the laser beam, in particular to impose a flat-top beam shape, wherein the beam shaping device is preferably arranged in front of the hologram.
Dadurch kann beispielsweise jedem Teillaserstrahl eine entsprechende Strahlform aufgeprägt werden. This means that, for example, each partial laser beam can be given a corresponding beam shape.
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. A beam shaping optic can be, for example, a commercially available Pi-Shaper, which imposes a flat-top beam shape on the 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.
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. A flat-top laser beam provides a particularly simple beam shape. For example, 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.
Die Vorrichtung kann ein erstes Teleskop aufweisen, das dazu eingerichtet ist den Strahldurchmesser des Laserstrahls auf die Strahlformungsvorrichtung einzustellen. Dadurch kann insbesondere der Durchmesser des geformten Laserstrahls eingestellt werden. The device can have a first telescope that is designed to adjust the beam diameter of the laser beam on the beam shaping device. In particular, the diameter of the shaped laser beam can thereby be adjusted.
Die Vorrichtung kann ein zweites Teleskop aufweisen, das dazu eingerichtet ist, den Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Hologramm einzustellen. Dadurch kann insbesondere zusätzlich zur Abbildungsoptik die Größe der regelmäßigen Intensitätsverteilung auf dem Werkstück eingestellt werden. The device can have a second telescope that is designed to adjust the beam diameter of the laser beam on the hologram. This makes it possible to adjust the size of the regular intensity distribution on the workpiece in addition to the imaging optics.
Im Allgemeinen kann die Oberflächenstrukturierung die optischen Eigenschaften des Materials verändern, wie beispielsweise die Farbgebung oder den Glanzgrad, den Transmissionsgrad, den Absorptionsgrad oder den Reflexionsgrad. Es kann fernerhin sein, dass durch die Oberflächenstrukturierung die tribologischen Eigenschaften also Eigenschaften mit Bezug auf Verschleiß, Reibung oder Schmierung von Oberflächen verändert. Es besteht die Möglichkeit, dass die Oberflächentexturierung die flüssigkeitsabweisenden Eigenschaften der Oberfläche oder die Beschlagungseigenschaften (Anti-fog) des Werkstücks verändert. In general, surface structuring can change the optical properties of the material, such as color or gloss, transmittance, Absorption level or reflection level. It is also possible that the surface structuring changes the tribological properties, i.e. properties relating to wear, friction or lubrication of surfaces. It is possible that the surface texturing changes the liquid-repellent properties of the surface or the anti-fog properties of the workpiece.
Durch die Oberflächentexturierung können die haptischen Eigenschaften des Werkstücks verändert werden. Surface texturing can change the haptic properties of the workpiece.
Weitere Eigenschaften, die verbessert oder zumindest verändert werden können, die Oberflächenhärte, die Witterungsbeständigkeit, den Korrosionsschutz, chemische Beständigkeit, etc. Beispielsweise kann auch die chemische Reaktivität des Werkstücks verändert werden, insbesondere vergrößert werden. Beispielsweise können durch angeraute Oberflächen und die damit einhergehende Oberflächenvergrößerung des Werkstücks in Batterien effizientere Reaktionen ermöglicht werden. Other properties that can be improved or at least changed include surface hardness, weather resistance, corrosion protection, chemical resistance, etc. For example, the chemical reactivity of the workpiece can also be changed, in particular increased. For example, roughened surfaces and the associated increase in the surface area of the workpiece can enable more efficient reactions in batteries.
Hauptvorteil der beschriebenen Vorrichtung zur Oberflächentexturierung von Werkstücken liegt darin, dass die typischerweise verwendete Interferometeroptik, bei der ein hoher Aufwand bei Strahlteilung, Weglängenabgleich, Strahlzusammenführung betrieben werden muss, durch ein deutlich einfacheres Optikkonzept abgelöst wird. Das zur Bearbeitung notwendige Interferenzmuster wird durch den Einsatz des Hologramms im Strahlengang realisiert, hinter dem besagtes Interferenzmuster durch die periodische Phasenmodulation direkt erzeugt wird. Eine klassische Strahlteilung, wie beispielsweise in der EP 3735332 B1 beschrieben, also eine vollständige Trennung der Teillaserstrahlen mitsamt notwendigem Weglängenabgleich für die Einhaltung der Interferenzbedingung beispielsweise mittel sogenannter „delay stages“ ist nicht notwendig. The main advantage of the described device for surface texturing of workpieces is that the typically used interferometer optics, which require a lot of effort for beam splitting, path length adjustment and beam merging, are replaced by a much simpler optics concept. The interference pattern required for processing is realized by using the hologram in the beam path, behind which the said interference pattern is directly generated by the periodic phase modulation. A classic beam splitting, as described for example in EP 3735332 B1, i.e. a complete separation of the partial laser beams including the necessary path length adjustment to comply with the interference condition, for example by means of so-called "delay stages", is not necessary.
Ein weiterer Vorteil betrifft die direkt proportionale Skalierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit, im vorliegenden Fall also die prozessierte Fläche pro Zeitintervall. Die räumliche Ausleuchtung des Hologramms, also der Durchmesser des Rohstrahls oder des strahlgeformten Laserstrahls, bestimmt den Durchmesser der regelmäßigen Intensitätsverteilung der auf dem Werkstück durch das Interferenzmuster ohne Vorschub strukturierten Oberfläche. Another advantage concerns the directly proportional scaling of the processing speed, in this case the processed area per time interval. The spatial illumination of the hologram, i.e. the diameter of the raw beam or the beam-shaped laser beam, determines the diameter of the regular intensity distribution of the surface structured on the workpiece by the interference pattern without feed.
Ein Teleskop mit variabler oder stationärer Vergrößerung kann vor dem Hologramm hierfür genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit den Durchmesser des Interferenzmusters auf dem Werkstück einzustellen, besteht in der Wahl des Vergrößerungsfaktors also dem Verhältnis der Brennweiten der Linsen, die das oben genannte 4f-Setup zusammensetzen. A telescope with variable or stationary magnification can be used in front of the hologram. Another way to adjust the diameter of the interference pattern on the workpiece is to choose the magnification factor, i.e. the ratio of the focal lengths of the lenses that make up the 4f setup mentioned above.
Der Durchmesser des Interferenzmusters auf dem Werkstück kann zwischen 0,05mm und 100mm liegen. The diameter of the interference pattern on the workpiece can be between 0.05mm and 100mm.
Im Falle der Formung eines intensitätsmodulierten Linienfokus kann die Linienlänge auf dem Werkstück zwischen 0,2mm und 1000mm liegen. In the case of forming an intensity-modulated line focus, the line length on the workpiece can be between 0.2 mm and 1000 mm.
Die Vorrichtung ist dabei besonders geeignet, große Flächen gleichzeitig mit dem Intensitätsmuster auszuleuchten. In Verbindung mit einer Vorschubvorrichtung können beispielsweise auch große Flächenraten bewerkstelligt werden. The device is particularly suitable for illuminating large areas simultaneously with the intensity pattern. In conjunction with a feed device, for example, large area rates can also be achieved.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren. The above object is further achieved by a method for machining a workpiece with the features of claim 12. Advantageous further developments of the method emerge from the subclaims as well as the present description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum Aufprägen einer Oberflächenfunktionalisierung, mittels Laserpulsen eines Lasers, insbesondere eines Kurzpulslasers oder Ultrakurzpulslasers, vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl durch ein Hologramm geleitet wird, wobei der Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen überführt wird und diese miteinander interferieren, wobei die Teillaserstrahlen als Bearbeitungsstrahl mit einer Abbildungsoptik in eine Fokusebene auf oder in das Werkstück fokussiert werden, wobei das Werkstück mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird. Erfindungsgemäß wird dem Bearbeitungsstrahl durch das Hologramm in der Fokusebene eine regelmäßige Intensitätsverteilung aufgeprägt. Accordingly, a method for processing a workpiece, in particular for imparting surface 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 guided through a hologram, wherein the laser beam is converted into a plurality of partial laser beams and these interfere with one another, wherein the partial laser beams are focused as a processing beam with imaging optics in a focal plane on or in the workpiece, wherein the workpiece is exposed to the processing beam and is thereby processed. According to the invention, a regular intensity distribution is impressed on the processing beam by the hologram in the focal plane.
Das Werkstück und der Bearbeitungsstrahl können relativ zueinander entlang einer Vorschubtrajektorie verschoben werden. Dadurch können insbesondere größere Teilflächen der Oberfläche des Werkstücks bearbeitet werden. The workpiece and the processing beam can be moved relative to each other along a feed trajectory. This makes it possible to process larger areas of the workpiece surface.
Die regelmäßigen Intensitätsverteilungen verschiedener, insbesondere sukzessiver Laserpulse können überlappen. In diesem Sinne können auch die Materialmodifikationen, die auf oder in dem Werkstück erzeugt werden, überlappen. The regular intensity distributions of different, especially successive laser pulses can overlap. In this sense, the material modifications that are created on or in the workpiece can also overlap.
Indem die regelmäßigen Intensitätsverteilungen 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 Bearbeitungsstrahls mit der Vorschubgeschwindigkeit zwischen zwei Laserpulsen resultiert, vermieden werden. By overlapping the regular intensity distributions, a continuous machined surface of the workpiece can be formed. This has the particular advantage that regular patterns, which for example result from a uniform offset of the machining beam with the feed rate between two laser pulses can be avoided.
Insbesondere können somit auch flächige Abschnitte des Werkstücks bearbeitet werden. Es ist auch möglich die Oberfläche des Werkstücks somit vollflächig zu bearbeiten. In particular, flat sections of the workpiece can be machined. It is also possible to machine the entire surface of the workpiece.
Insbesondere können die regelmäßigen Intensitätsverteilungen einen flächenmäßigen Abschnitt des Werkstücks bedecken. Ein flächiger Abschnitt bedeutet hierbei, dass ein zusammenhängender Bereich von der Ausdehnung mindestens zweier regelmäßiger Intensitätsverteilungen bearbeitet wurde, während eine vollflächige Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks die Bearbeitung mindestens der dem Bearbeitungsstrahl zugewandten Seite bedeutet. Dadurch wird eine besonders einfach flächenmäßige Bearbeitung des Materials ermöglicht. In particular, the regular intensity distributions can cover a surface-wide section of the workpiece. A surface-wide section means that a contiguous area with the extent of at least two regular intensity distributions has been processed, while full-surface processing of the surface of the workpiece means processing at least the side facing the processing beam. This enables particularly simple surface-wide processing of the material.
Die Größe der regelmäßigen Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls in der Fokusebene kann durch die Größe der Ausleuchtung des Hologramms bestimmt werden. Dadurch ist ein besonders einfaches und flexibles Steuern der Materialbearbeitung möglich. The size of the regular intensity distribution of the processing beam in the focal plane can be determined by the size of the illumination of the hologram. This enables particularly simple and flexible control of the material processing.
Kurze Beschreibung der Figuren Short description of the characters
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures.
Figur 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung einer Ausführungsform; Figure 1 is a schematic representation of the device of an embodiment;
Figuren 2A, B, C schematische Darstellungen der Funktionsweise einer Strahlformungsvorrichtung; Figures 2A, B, C are schematic representations of the operation of a beam shaping device;
Figuren 3A, B, C, D, E schematische Darstellungen verschiedener Hologramme sowie dazugehörige regelmäßige Intensitätsverteilungen nach dem Durchlaufen der Abbildungsoptik; Figures 3A, B, C, D, E show schematic representations of different holograms and corresponding regular intensity distributions after passing through the imaging optics;
Figur 3F schematische Darstellung einer regelmäßigen Intensitätsverteilung in verschiedenen Fokusebenen; Figure 3F schematic representation of a regular intensity distribution in different focal planes;
Figur 4 eine schematische Darstellung der regelmäßigen Intensitätsverteilung nach dem Durchlaufen der Abbildungsoptik, wenn als erste Linse eine Zylinderlinse genutzt wird; und Figure 4 is a schematic representation of the regular intensity distribution after passing through the imaging optics when a cylindrical lens is used as the first lens; and
Figur 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele Figure 5 is a schematic representation of the method according to the invention. Detailed description of preferred embodiments
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. Preferred embodiments are described below with reference to the figures. Identical, similar or equivalent elements in the different figures are provided with identical reference symbols, and a repeated description of these elements is partially omitted in order to avoid redundancies.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung. Figure 1 shows an embodiment of the proposed device.
Die Vorrichtung weist einen Laser 1 auf, der einen Laserstrahl 10 bereitstellt. Dieser Laserstrahl 10 wird von einem Hologramm 2 empfangen, in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen überführt und anschließend zur Interferenz gebracht. Dieses Interferenzmuster wird dann als Bearbeitungsstrahl 14 durch eine Abbildungsoptik 3 in die Fokusebene auf oder in ein Werkstück 4 abgebildet. The device has a laser 1 which provides a laser beam 10. This laser beam 10 is received by a hologram 2, converted into a plurality of partial laser beams and then caused to interfere. This interference pattern is then imaged as a processing beam 14 by an imaging optics 3 in the focal plane on or in a workpiece 4.
Die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls 12 in der Fokusebene ist hierbei eine regelmäßige Fokusverteilung I. Dadurch werden in der Fokusebene auf oder im Werkstück 4 regelmäßig angeordnete Materialmodifikationen erzeugt, die eine Funktionalisierung der Oberfläche des Werkstücks 4 bereitstellen. The intensity distribution of the processing beam 12 in the focal plane is a regular focus distribution I. As a result, regularly arranged material modifications are generated in the focal plane on or in the workpiece 4, which provide a functionalization of the surface of the workpiece 4.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich eine Strahlformungsvorrichtung 6 für den Laserstrahl 10 auf. Der Laserstrahl 10 wird durch die Strahlformungsvorrichtung 6 geleitet und dadurch geformt. Beispielsweise wird aus dem Laserstrahl 10 des Lasers 1 dadurch ein Flat- Top-förmiger Laserstrahl in rechteckiger oder elliptischer Geometrie. Die Strahlformungsvorrichtung kann als Field-Mapper realisiert werden, z.B. durch einen sogenannten Pi-Shaper, siehe 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 the embodiment shown, the device additionally has a beam shaping device 6 for the laser beam 10. The laser beam 10 is guided through the beam shaping device 6 and thereby shaped. For example, the laser beam 10 of the laser 1 is thereby converted into a flat-top-shaped laser beam with a rectangular or elliptical geometry. The beam shaping device can be implemented as a field mapper, e.g. by a so-called pi-shaper, see 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 der gezeigten Ausführungsform ist eine Abbildungsoptik 3 vorgesehen, die beispielsweise eine 4f-Abbildungsoptik ist. Hierbei umfasst die Abbildungsoptik 3 eine erste Linse 30 und eine zweite Linse 32. Die erste Linse 30 steht hierbei im Abstand der ersten Brennweite f1 der ersten Linse 30 vom Hologramm 2 entfernt, während die zweite Linse 32 im Abstand der Summe der beiden Brennweiten f1 und f2 beider Linsen 30, 32 von der ersten Linse 30 beabstandet ist. Die Fokusebene befindet sich anschließend ungefähr im Abstand f2 in Strahlausbreitungsrichtung hinter der zweiten Linse 32. Durch diese sogenannte 4f-Abbildung in die Fokusebene kann der modulierte Laserstrahl des Hologramms vergrößert oder verkleinert abgebildet werden. Es ist außerdem möglich, dass die erste Linse 32 als Zylinderlinse ausgeführt ist, um die Abbildung des Interferenzmusters nur in einer Dimension durchzuführen. Dadurch können besonders einfach interferenzmodulierte Linienfoki erzeugt werden, um das Werkstück damit zu beaufschlagen. In the embodiment shown, an imaging optics 3 is provided, which is, for example, a 4f imaging optics. The imaging optics 3 comprises a first lens 30 and a second lens 32. The first lens 30 is at a distance of the first focal length f1 of the first lens 30 from the hologram 2, while the second lens 32 is at a distance of the sum of the two focal lengths f1 and f2 of both lenses 30, 32 from the first lens 30. The focal plane is then located approximately at a distance f2 in the beam propagation direction behind the second lens 32. Through this so-called 4f imaging in the focal plane, the modulated laser beam of the hologram can be enlarged or reduced. It is also possible for the first lens 32 to be designed as a cylindrical lens in order to image the interference pattern in only one dimension. This makes it particularly easy to generate interference-modulated line foci in order to apply them to the workpiece.
In einerweitere Ausführungsform der Vorrichtung ist es möglich, dass diese einen Scanner umfasst, der als Galvanoscanner oder als AOM ausgebildet ist (nicht gezeigt). Durch die zweite Linse 32 wird typischerweise eine Winkel-zu-Orts-Transformation des Laserstrahls 10 vorgenommen, so dass zwei vor der zweiten Linse 32 unter unterschiedlichen Winkeln laufende Teillaserstrahlen 12 hinter der zweiten Linse 32 in zwei unterschiedliche Orte in der Fokusebene abgebildet werden. Demnach ist es besonders vorteilhaft den Scanner, der den Laserstrahl ablenkt, im Abstand der zweiten Brennweite f2 vor der zweiten Linse zu positionieren (nicht gezeigt). Die Winkelablenkung durch den Scanner wird damit in eine Ortsablenkung in der Fokusebene übersetzt. In a further embodiment of the device, it is possible for it to comprise a scanner which is designed as a galvano scanner or as an AOM (not shown). The second lens 32 typically performs an angle-to-location transformation of the laser beam 10, so that two partial laser beams 12 running at different angles in front of the second lens 32 are imaged behind the second lens 32 in two different locations in the focal plane. Accordingly, it is particularly advantageous to position the scanner which deflects the laser beam at a distance of the second focal length f2 in front of the second lens (not shown). The angular deflection by the scanner is thus translated into a location deflection in the focal plane.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich ein erstes Teleskop 7 vor der Strahlformungsvorrichtung 6 und ein zweites Teleskop 7‘ nach der Strahlformungsvorrichtung 6 auf. In the embodiment shown, the device additionally has a first telescope 7 in front of the beam shaping device 6 and a second telescope 7' after the beam shaping device 6.
Das erste Teleskop 7 kann dazu eingerichtet sein, den Strahldurchmesser des einfallenden Laserstrahls auf die Strahlformungsvorrichtung 6 einzustellen. Durch das Einstellen des Strahldurchmessers des Laserstrahls 10, der auf die Strahlformungsvorrichtung 6 trifft, kann die Größe der Intensitätsverteilung des auslaufenden Laserstrahls besonders einfach eingestellt werden. The first telescope 7 can be designed to adjust the beam diameter of the incident laser beam on the beam shaping device 6. By adjusting the beam diameter of the laser beam 10 that hits the beam shaping device 6, the size of the intensity distribution of the outgoing laser beam can be adjusted particularly easily.
Das zweite Teleskop 7‘ kann dazu eingerichtet sein, die Größe des ausgeleuchteten Bereichs auf dem Hologramm 2 einzustellen. Dadurch kann insbesondere zusätzlich zur Abbildungsoptik 3 die Größe der regelmäßigen Intensitätsverteilung auf dem Werkstück 4 eingestellt werden. Das zweite Teleskop 7‘ 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. The second telescope 7' can be set up to adjust the size of the illuminated area on the hologram 2. This makes it possible, in particular, to adjust the size of the regular intensity distribution on the workpiece 4 in addition to the imaging optics 3. The second telescope 7' can, for example, be designed 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.
Figur 2A 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/eA2 des Intensitätsmaximums des Laserstrahls 10 bezieht oder auf dessen Strahldurchmesser, der mittels der Methode der zweiten Momente, siehe ISO11146 1/2/3, bestimmt wurde. In der Strahlformungsvorrichtung 6 kann der Laserstrahl 10 durch eine Kombination aus Phasenplatten, sphärischen Linsen und asphärischen Linsen umgeformt werden. Beispielsweise können dabei die Teillaserstrahlen, die das Intensitätsmaximum des einlaufenden Laserstrahls 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 auslaufende Flattop-Laserstrahl 10‘ ausgebildet wird. Der Durchmesser des auslaufenden Flattop- Laserstrahls 10‘ kann hierbei einen größeren oder kleineren oder gleichen Durchmesser als der einfallende Gauß’sche Laserstrahl 10 aufweisen. Figure 2A shows schematically the functioning of a flat-top 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 A 2 of the intensity maximum of the laser beam 10 or to its beam diameter, which was determined using the method of second moments, see ISO11146 1/2/3. In the beam forming device 6, the laser beam 10 can be reshaped by a combination of phase plates, spherical lenses and aspherical lenses. For example, the partial laser beams that form the intensity maximum of the incoming laser beam can be separated 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 outgoing flattop laser beam 10' is formed. The diameter of the outgoing flattop laser beam 10' can have a larger or smaller or the same diameter as the incident Gaussian laser beam 10.
In Abhängigkeit von dem Strahldurchmesser des einfallenden 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. Depending on the beam diameter of the incident laser beam 10, different beam shapes can be generated using the same beam shaping device 6, see for example 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 2B weist der einfallende Laserstrahl 10 einen größeren Durchmesser als in Figur 2A auf. Dadurch bilden sich nach der Strahlformungsvorrichtung 6 Randüberhöhungen am Intensitätsprofil des auslaufenden Flattop-Laserstrahls 10‘. In Figure 2B, the incident laser beam 10 has a larger diameter than in Figure 2A. As a result, edge elevations form on the intensity profile of the outgoing flat-top laser beam 10' after the beam shaping device 6.
In Figur 2C weist der einfallende Laserstrahl 10 einen geringeren Durchmesser auf als in Figur 2A. Dadurch weist der auslaufende Flattop-Laserstrahl 10‘ eine geringere Kantensteilheit auf. In Figure 2C, the incident laser beam 10 has a smaller diameter than in Figure 2A. As a result, the outgoing flattop laser beam 10' has a lower edge steepness.
In Figuren, 3A, B, C, D, E sind die Phasenmodulationen der Hologramme 2 und die zugehörigen Intensitätsverteilungen I dargestellt, mit denen das Werkstück 4 beaufschlagt werden kann. Figures 3A, B, C, D, E show the phase modulations of the holograms 2 and the corresponding intensity distributions I with which the workpiece 4 can be exposed.
Das Hologramm 2 in Figur 3A weist Phaseneinheitszellen auf, die auf einem kartesischen Gitter angeordnet sind. Die Phasenmodulation einer Phaseneinheitszelle weist dabei eine linsenartige Form auf. Unmittelbar hinter dem Hologramm 2 bildet sich eine Intensitätsverteilung I aus, die durch die Abbildungsoptik 3 auf das Werkstück 4 abgebildet wird. Wie in dem Detailausschnitt zu sehen, weist die ist die Intensitätsverteilung erstens regelmäßig und zweitens weist die Intensitätsverteilung Intensitätsmaxima auf, die ebenfalls entlang einem kartesischen Gitter angeordnet sind. The hologram 2 in Figure 3A has phase unit cells that are arranged on a Cartesian grid. The phase modulation of a phase unit cell has a lens-like shape. Immediately behind the hologram 2, an intensity distribution I is formed, which is imaged onto the workpiece 4 by the imaging optics 3. As can be seen in the detailed section, the intensity distribution is firstly regular and secondly the intensity distribution has intensity maxima that are also arranged along a Cartesian grid.
Figur 3B zeigt eine ähnliche Situation wie in Figur 3A. Hier ist der Abstand der Einheitszellen mit linsenartiger Modulation vergrößert. Folglich weist das resultierende Intensitätsmuster lokale Intensitätsmaxima mit größeren Abständen auf. Figure 3B shows a similar situation as in Figure 3A. Here, the distance between the unit cells is increased with lens-like modulation. Consequently, the resulting intensity pattern shows local intensity maxima with larger distances.
Figur 3C zeigt in eine Dimension periodisch fortgesetzte Phaseneinheitszellen, deren Phasenmodulation eine eindimensionale Abhängigkeit aufweist. Hier ist eine Sinusfunktion in x- Richtung realisiert. Die resultierende Intensitätsverteilung I weist lokale Intensitätsmaxime in Form von Linien auf. Figur 3D zeigt eine hexagonale Anordnung von Phaseneinheitszellen mit linsenartiger Phasenmodulation. Das resultierende Intensitätsmuster weist lokale Intensitätsmaxima an einer hexagonalen Anordnung auf. Figure 3C shows phase unit cells that are periodically continued in one dimension and whose phase modulation has a one-dimensional dependence. Here, a sine function is realized in the x-direction. The resulting intensity distribution I has local intensity maxima in the form of lines. Figure 3D shows a hexagonal array of phase unit cells with lens-like phase modulation. The resulting intensity pattern exhibits local intensity maxima at a hexagonal array.
Figur 3E zeigt ebenfalls eine hexagonale Anordnung von Einheitszellen mit linsenartiger Phasenmodulation. Die resultierende regelmäßige Intensitätsverteilung weist lokale Intensitätsmaxima an einer hexagonalen Anordnung auf. Figure 3E also shows a hexagonal arrangement of unit cells with lens-like phase modulation. The resulting regular intensity distribution exhibits local intensity maxima at a hexagonal arrangement.
Figur 3F zeigt einen weiteren Effekt der bei der vorgeschlagenen Vorrichtung auftritt. Gezeigt ist eine regelmäßige Intensitätsverteilung der Figur 3E, jedoch in unterschiedlichen Propagationsdistanzen. Unterschiedliche Propagationsdistanzen werden einen veränderten z- Abstand zwischen Abbildungsoptik und Werkstück realisiert. Die Grundstruktur - also die Anordnung der Intensitätsmaxima - der regelmäßigen Intensitätsverteilung bleibt bei unterschiedlichen Propagationsdistanzen erhalten. Allerdings ändert sich die Form der lokalen Intensitätsmaxima. Beispielsweise sind bei allen Propagationsdistanzen z1 bis z4 die lokalen Intensitätsmaxima auf einem rhombischen Gitter angeordnet. Figure 3F shows another effect that occurs with the proposed device. It shows a regular intensity distribution as in Figure 3E, but at different propagation distances. Different propagation distances result in a different z-distance between the imaging optics and the workpiece. The basic structure - i.e. the arrangement of the intensity maxima - of the regular intensity distribution is retained at different propagation distances. However, the shape of the local intensity maxima changes. For example, at all propagation distances z1 to z4, the local intensity maxima are arranged on a rhombic grid.
Über eine Veränderung der Fokuslage kann jedoch die Form der lokalen Intensitätsmaxima eingestellt werden und damit auch unterschiedliche Oberflächenmodifikationen auf dem Werkstück 4 eingebracht werden. However, by changing the focus position, the shape of the local intensity maxima can be adjusted and thus different surface modifications can be introduced onto the workpiece 4.
Figur 4 zeigt die regelmäßige Intensitätsverteilung, wenn als erste Linse 30 der Abbildungsoptik 3 eine Zylinderlinse verwendet wird. Als Hologramm 2 wurde dasjenige der Figur 3C verwendet. Durch die Zylinderlinse 30 wird eine linienförmige Intensitätsverteilung erzeugt, das entlang seiner langen Achse regelmäßig angeordnete Maxima aufweist. Figure 4 shows the regular intensity distribution when a cylindrical lens is used as the first lens 30 of the imaging optics 3. The hologram 2 used was that of Figure 3C. The cylindrical lens 30 produces a linear intensity distribution that has regularly arranged maxima along its long axis.
In Figur 5A ist ein entsprechendes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks gezeigt. Hierbei werden mit einem Laser 1 Laserpulse 100 abgegeben, die einen Laserstrahl 10 ausbilden. Der Laserstrahl 10 wird durch ein Hologramm 2 geleitet und mit einer Abbildungsoptik 3 als Bearbeitungsstrahl 14 beispielsweise verkleinert auf oder in die Oberfläche des Werkstücks 4 fokussiert. Der Bearbeitungsstrahl 14 beaufschlagt das Werkstück 4 in der Fokusebene, wodurch es bearbeitet wird. Die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls 14 weist regelmäßig angeordnete lokale Intensitätsmaxima auf, so dass die Oberfläche des Werkstücks 4 beispielsweise funktionalisiert werden kann. Figure 5A shows a corresponding method for processing a workpiece. Laser pulses 100 are emitted with a laser 1, which form a laser beam 10. The laser beam 10 is guided through a hologram 2 and is focused as a processing beam 14, for example reduced in size, onto or into the surface of the workpiece 4 using imaging optics 3. The processing beam 14 strikes the workpiece 4 in the focal plane, thereby processing it. The intensity distribution of the processing beam 14 has regularly arranged local intensity maxima, so that the surface of the workpiece 4 can be functionalized, for example.
Das Werkstück 4 kann mit einer Vorschubvorrichtung 5 relativ zum Bearbeitungsstrahl 14 entlang einer Trajektorie 50 verschoben werden, so dass die regelmäßige Intensitätsverteilung I des Bearbeitungsstrahls 14 die gesamte Oberfläche oder einen Teil der Oberfläche des Werkstücks 4 sukzessiv überstreicht. Die Bearbeitung des Werkstücks 4 kann durch überlappende Materialmodifikationen erfolgen. Dies bedeutet insbesondere, dass ein erster Laserpuls in mit einer regelmäßigen Intensitätsverteilung I an einem ersten Ort X1 in das Werkstück eingebracht wird, während ein zweiter Laserpuls mit der regelmäßigen Intensitätsverteilung I an einem zweiten Ort X2 des Werkstücks eingebracht wird. The workpiece 4 can be displaced relative to the processing beam 14 along a trajectory 50 using a feed device 5, so that the regular intensity distribution I of the processing beam 14 covers the entire surface or part of the surface of the workpiece 4 successively. The machining of the workpiece 4 can be carried out by overlapping material modifications. This means in particular that a first laser pulse with a regular intensity distribution I is introduced into the workpiece at a first location X1, while a second laser pulse with the regular intensity distribution I is introduced at a second location X2 of the workpiece.
In Figur 5B ist gezeigt, dass die nacheinander eingebrachten regelmäßigen Intensitätsverteilungen I überlappen können, um so eine möglichst flächige Bearbeitung des Werkstücks vorzunehmen. Insbesondere überlappen die randnahen einzelnen Materialmodifikationen die durch die nacheinander eingebrachten Intensitätsverteilungen erzeugt werden. Bei einer Repetitionsrate von 10 kHz des Lasers 1 und einem Durchmesser der regelmäßigen Intensitätsverteilung von 1 mm kann die Vorschubgeschwindigkeit beispielsweise bis zu 10m/s betragen, so dass die Oberfläche eines Werkstücks 4 sehr schnell bearbeitet werden kann. Figure 5B shows that the regular intensity distributions I introduced one after the other can overlap in order to process the workpiece as evenly as possible. In particular, the individual material modifications near the edge that are generated by the intensity distributions introduced one after the other overlap. With a repetition rate of 10 kHz of the laser 1 and a diameter of the regular intensity distribution of 1 mm, the feed rate can be up to 10 m/s, for example, so that the surface of a workpiece 4 can be processed very quickly.
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. Where applicable, all individual features shown in the embodiments can be combined and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
Bezuqszeichenliste List of reference symbols
1 Laser 1 lasers
10 Laserstrahl 10 Laser beam
12 Teillaserstrahl 14 Bearbeitungsstrahl 12 Partial laser beam 14 Processing beam
100 Laserpuls 100 laser pulses
2 Hologramm 2 Hologram
3 Abbildungsoptik 3 Imaging optics
4 Werkstück 5 Vorschubvorrichtung 4 Workpiece 5 Feed device
50 Trajektorie 50 Trajectory
6 Strahlformungsvorrichtung6 Beam shaping device
7 Teleskop 7 Telescope

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (4), insbesondere zum Aufprägen einer Oberflächenfunktionalisierung, mittels Laserpulsen (100) eines Laserstrahls (10), umfassend einen Laser (1), ein Hologramm (2) und eine Abbildungsoptik (3), wobei der Laser (1), insbesondere ein Kurzpulslaser oder ein Ultrakurzpulslaser, dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) mit den Laserpulsen (100) dem Hologramm (2) bereitzustellen, wobei das Hologramm (2) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) zu empfangen, den Laserstrahl (10) in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen (12) zu überführen und diese zur Interferenz zu bringen und an die Abbildungsoptik (3) weiterzu leiten, und wobei die Abbildungsoptik (3) dazu eingerichtet ist, die Teillaserstrahlen (12) des Hologramms (2) zu empfangen und als Bearbeitungsstrahl (14) in eine Fokusebene auf oder in das Werkstück (4) zu fokussieren, wobei das Werkstück (40) mit dem Bearbeitungsstrahl (14) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm (2) ferner dazu eingerichtet ist, dem Bearbeitungsstrahl (14) in der Fokusebene eine regelmäßige Intensitätsverteilung (I) aufzuprägen. 1 . Device for processing a workpiece (4), in particular for imparting a surface functionalization, by means of laser pulses (100) of a laser beam (10), comprising a laser (1), a hologram (2) and an imaging optics (3), wherein the laser (1), in particular a short-pulse laser or an ultra-short-pulse laser, is designed to provide the laser beam (10) with the laser pulses (100) to the hologram (2), wherein the hologram (2) is designed to receive the laser beam (10), to convert the laser beam (10) into a plurality of partial laser beams (12) and to cause them to interfere and to pass them on to the imaging optics (3), and wherein the imaging optics (3) is designed to receive the partial laser beams (12) of the hologram (2) and to focus them as a processing beam (14) in a focal plane on or in the workpiece (4), wherein the workpiece (40) is provided with the processing beam (14) and is processed thereby, characterized in that the hologram (2) is further configured to impart a regular intensity distribution (I) to the processing beam (14) in the focal plane.
2. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm (2) ferner dazu eingerichtet ist, die Phase der Teillaserstrahlen (12) zu modulieren. 2. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hologram (2) is further configured to modulate the phase of the partial laser beams (12).
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßige Intensitätsverteilung (I) eine Liniengeometrie und/oder eine hexagonale Geometrie und/oder eine Kreisgeometrie und/oder eine Ellipsengeometrie aufweist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the regular intensity distribution (I) has a line geometry and/or a hexagonal geometry and/or a circular geometry and/or an elliptical geometry.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm (2) ein reflektives oder transmissives Hologramm ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hologram (2) is a reflective or transmissive hologram.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm (2) ein Phasenmuster (20) aufweist, insbesondere ein binäres Phasenmuster, aufweist, wobei das Phasenmuster (20) dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (10) eine ortsabhängige Phasendifferenz aufzuprägen. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hologram (2) has a phase pattern (20), in particular a binary phase pattern, wherein the phase pattern (20) is designed to impart a location-dependent phase difference to the laser beam (10).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenmuster (20) durch eine periodische Fortsetzung einer Phaseneinheitszelle (200) entsteht. 6. Device according to claim 5, characterized in that the phase pattern (20) is created by a periodic continuation of a phase unit cell (200).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe einer Phaseneinheitszelle (200) zwischen 0,01 mm und 5 mm beträgt. 7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the size of a phase unit cell (200) is between 0.01 mm and 5 mm.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm (2) ein räumlicher Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element ist. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hologram (2) is a spatial light modulator or a diffractive optical element.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl (14) und das Werkstück (4) relativ zueinander mit einem Vorschub (V) zu bewegen, wobei bevorzugt die Vorschubvorrichtung eine Achsvorrichtung und/oder eine Scannervorrichtung umfasst, wobei die Scannervorrichtung bevorzugt einen akustooptischen Modulator und/oder einen Galvo-Scanner und/oder einen Polygonscanner umfasst. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized by a feed device which is designed to move the processing beam (14) and the workpiece (4) relative to one another with a feed (V), wherein the feed device preferably comprises an axis device and/or a scanner device, wherein the scanner device preferably comprises an acousto-optical modulator and/or a galvo scanner and/or a polygon scanner.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (3) mindestens eine erste Linse (30) mit einer ersten Brennweite (f1) und eine zweite Linse (32) mit einer zweiten Brennweite (f2) aufweist, wobei die erste Linse (30) in einem Abstand der ersten Brennweite (f1) zum Hologramm (2) angeordnet ist, wobei die zweite Linse (32) zum Werkstück (4) in einem Abstand der zweiten Brennweite (f2) angeordnet ist und wobei die erste Linse (30) und die zweite Linse (32) in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe der Brennweiten (f1 , f2) der ersten Linse (30) und der zweiten Linse (32) entspricht, wobei die Abbildungsoptik (3) bevorzugt einen Verkleinerungsfaktor M zwischen 1 ,1 und 40 aufweist. 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging optics (3) have at least a first lens (30) with a first focal length (f1) and a second lens (32) with a second focal length (f2), wherein the first lens (30) is arranged at a distance of the first focal length (f1) from the hologram (2), wherein the second lens (32) is arranged at a distance of the second focal length (f2) from the workpiece (4), and wherein the first lens (30) and the second lens (32) are arranged at a distance from one another which corresponds to the sum of the focal lengths (f1, f2) of the first lens (30) and the second lens (32), wherein the imaging optics (3) preferably have a reduction factor M between 1.1 and 40.
11 . 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 dem Hologramm (2) angeordnet ist. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized by a beam-shaping device (6) which is designed to impart a beam shape to the laser beam (10), in particular to impart a flat-top beam shape, wherein the beam-shaping device (6) is preferably arranged in front of the hologram (2).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch ein erstes Teleskop (7), das dazu eingerichtet ist den Strahldurchmesser des Laserstrahls (1) auf die Strahlformungsvorrichtung (6) einzustellen 12. Device according to claim 11, characterized by a first telescope (7) which is designed to adjust the beam diameter of the laser beam (1) to the beam shaping device (6)
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zweites Teleskop (7‘), das dazu eingerichtet ist, den Strahldurchmesser des Laserstrahls (1) auf dem Hologramm (2) einzustellen. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized by a second telescope (7') which is adapted to adjust the beam diameter of the laser beam (1) on the hologram (2).
14. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (4), insbesondere zum Aufprägen einer Oberflächenfunktionalisierung, mittels Laserpulsen (100) eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), insbesondere eines Kurzpulslasers oder eines Ultrakurzpulslasers, wobei der Laserstrahl (10) durch ein Hologramm (2) geleitet wird und durch das Hologramm (2) in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen (12) überführt wird und diese miteinander interferieren, wobei die Teillaserstrahlen (12) mit einer Abbildungsoptik (3) als Bearbeitungsstrahl (14) in eine Fokusebene auf oder in das Werkstück (4) fokussiert werden, wobei das Werkstück (4) mit dem Bearbeitungsstrahl (14) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bearbeitungsstrahl (14) durch das Hologramm (2) in der Fokusebene eine regelmäßige Intensitätsverteilung aufgeprägt wird. 14. Method for processing a workpiece (4), in particular for imparting a surface functionalization, by means of laser pulses (100) of a laser beam (10) of a laser (1), in particular a short-pulse laser or an ultra-short-pulse laser, wherein the laser beam (10) is guided through a hologram (2) and is converted by the hologram (2) into a plurality of partial laser beams (12) and these interfere with one another, wherein the partial laser beams (12) are focused with an imaging optics (3) as a processing beam (14) in a focal plane on or in the workpiece (4), wherein the workpiece (4) is exposed to the processing beam (14) and is thereby processed, characterized in that a regular intensity distribution is impressed on the processing beam (14) by the hologram (2) in the focal plane.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (14) und das Werkstück (4) relativ zueinander mit einer Vorschubvorrichtung (5) verschoben werden. 15. Method according to claim 14, characterized in that the processing beam (14) and the workpiece (4) are displaced relative to one another by means of a feed device (5).
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Werkstücks (4) durch überlappende regelmäßige Intensitätsverteilungen (I) des Bearbeitungsstrahls (14) erfolgt. 16. Method according to claim 14 or 15, characterized in that the machining of the workpiece (4) is carried out by overlapping regular intensity distributions (I) of the machining beam (14).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Intensitätsverteilung (I) in der Fokusebene durch die Größe der Ausleuchtung des Hologramms (2) bestimmt wird. 17. Method according to one of claims 14 to 16, characterized in that the size of the intensity distribution (I) in the focal plane is determined by the size of the illumination of the hologram (2).
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