DE102024103217A1

DE102024103217A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks aus einem doppelbrechenden Material

Info

Publication number: DE102024103217A1
Application number: DE102024103217.0A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kleiner; Daniel Flamm; Finn Maier
Original assignee: Trumpf Laser Se
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2024-02-06
Filing date: 2024-02-06
Publication date: 2025-08-07
Also published as: WO2025168241A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (1) aus einem doppelbrechenden Material mit mindestens einer optischen Achse (OA) mittels ultrakurzer Laserpulses eines Laserstrahls (20) eines Ultrakurzpulslasers (2), wobei dem Laserstrahl (20) durch eine Strahlformungsvorrichtung (3) eine nicht-beugende Strahlform aufgeprägt wird, wobei dem Laserstrahl (20) durch eine Polarisationsformungsvorrichtung (4) eine Polarisationsverteilung aufgeprägt wird, wobei der Laserstrahl (20) von einer Bearbeitungsoptik (5) in eine Fokuszone in einer Fokusebene in das Werkstück (1) fokussiert wird, wobei das Werkstück (1) mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, wobei die Polarisationsverteilung die Doppelbrechung des Materials des Werkstücks (1) kompensiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks aus einem doppelbrechenden Material.
Stand der Technik
Die Bearbeitung transparenter Materialien mittels ultrakurzer Laserpulse ist bekannt. Die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung können zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material führen, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge im wesentlichen transparenten Materialien bearbeitet werden können.
Bei der Bearbeitung von doppelbrechenden Materialien ist es jedoch problematisch, dass der Laserstrahl abhängig von dem Auftreffwinkel und der Ausrichtung der optischen Achse des Materials in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl gebrochen werden. Durch die divergierende Strahlform kann keine homogene Materialmodifikation im Material erreicht werden, wobei sich die Form der eingebrachten Materialmodifikationen an der oberen Oberfläche von der Form an der unteren Oberfläche des Materials unterscheidet. Dadurch wird insbesondere ein Trennen des Materials erschwert.
Aus der DE102019128362B3 sind segmentierte Strahlformungselemente und Laserbearbeitungsanlagen bekannt. Aus der EP 3305456B1 ist eine Laservorrichtung mit gesteuertem orbitalem Drehimpuls bekannt. Aus der US 10218145 B1 sind Spiralphasenplatten bekannt.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks eines doppelbrechenden Materials, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks eines doppelbrechenden Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks aus einem doppelbrechenden Material mit mindestens einer optischen Achse mittels ultrakurzer Laserpulses eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei dem Laserstrahl durch eine Strahlformungsvorrichtung eine nicht-beugende Strahlform mit einer Intensitätsverteilung aufgeprägt wird, wobei dem Laserstrahl durch eine Polarisationsformungsvorrichtung eine lokale Polarisationsverteilung aufgeprägt wird, wobei der einer Laserstrahl von einer Bearbeitungsoptik in eine Fokuszone in einer Fokusebene in das Werkstück fokussiert wird, wobei das Werkstück mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird. Erfindungsgemäß kompensiert die Polarisationsverteilung die Doppelbrechung des Materials des Werkstücks.
Unter Doppelbrechung versteht man die Eigenschaft eines optischen Materials, Licht unterschiedlicher Polarisation mit unterschiedlichen Propagationseigenschaften zu versehen. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden einen einfallenden Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen zu trennen. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes des optischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur optischen Achse des optischen Materials.
Im Sinne dieser Offenbarung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen einem Winkel von 90° zueinander aufweisen. Unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen.
Beispielsweise kann ein Material eine optische Achse oder auch mehrere optische Achsen aufweisen.
In einem Material mit nur einer optischen Achse wird durch die optische Achse ein sogenannter Indexellipsoid aufgespannt, der die Größe des jeweiligen Brechungsindex in Abhängigkeit vom Winkel des Laserstrahls zur optischen Achse und zur Polarisation des Laserstrahls angibt.
Das Material kann Saphir sein.
Saphir hat einen ordentlichen Brechungsindex von n_o=1,766 und einen außerordentlichen Brechungsindex von n_a=1,758 bei einer Wellenlänge von 633nm. Saphir ist zudem äußert kratzbeständig und eignet sich daher gut als Deck- oder Schutzglas von Kameralinsen.
Die Dicke des Werkstücks kann zwischen 300µm und 3000µm, typischer Weise zwischen 500µm und 2000µm betragen.
Dadurch kann das Werkstück besonders vielseitig eingesetzt werden und oben genannte Schutzwirkung entfalten.
Der Laser stellt die Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 300fs und 12ps betragen, beispielsweise zwischen 300fs und 100ps betragen. Die Wellenlänge der Laserpulse kann zwischen 300nm und 3000nm betragen, bevorzugt zwischen 900nm und 2200nm betragen.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Laserbursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Laserbursts kann es sich insbesondere um GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet. Ein Burst kann beispielsweise zwischen 2 und 20 Laserpulse, bevorzugt zwischen 2 und 10 Laserpulse umfassen, wobei der zeitliche Abstand der Laserpulse zwischen 10ns und 50ns betragen kann. Ein Burst kann aber auch zwischen 30 und 300 Laserpulse umfassen, wobei der zeitliche Abstand der Laserpulse zwischen 100ps und 1000ps betragen kann.
Die Repetitionsrate der Laserpulse und/oder der Laserbursts kann größer als 1kHz, bevorzugt größer als 10kHz sein. Beispielsweise kann die Repetitionsrate auch 100kHz oder mehr betragen. Demnach werden beispielsweise mehr als 1000 Pulse pro Sekunde oder mehr als 10000 Pulse pro Sekunde durch den Laser abgegeben.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann größer als 1µJ sein, beispielswiese 2µJ sein.
Der Laserstrahl kann eine globale Polarisation aufweisen. Insbesondere kann der Laserstrahl aus mehreren parallelen Teillaserstrahlen zusammengesetzt sein, wobei jeder Teillaserstrahl dieselbe Polarisation aufweist. Beispielsweise können alle Teillaserstrahlen s-polarisiert sein, so dass der Laserstrahl global s-polarisiert ist.
Die Strahlformungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein dem Laserstrahl ein nicht-beugendes Strahlprofil aufzuprägen.
Unter einem nicht-beugenden Strahlprofil sind die Strahlprofile von nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen zu verstehen. Darunter sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Beispielsweise kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden.
Insbesondere können nicht-beugende Strahlen auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen, so dass der Strahlquerschnitt in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls in einer Richtung elongiert ist.
Der Laserstrahl wird von der Strahlformungsvorrichtung zum Polarisationsformungsvorrichtung geleitet. Die Polarisationsformungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, der Intensitätsverteilung des Laserstrahls eine lokale Polarisationsverteilung aufzuprägen.
Beispielsweise kann ein erster Teil des Laserstrahls s-polarisiert sein, während ein zweiter Teil des Laserstrahls p-polarisiert ist. Beispielsweise kann zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des Laserstrahls die Polarisation kontinuierlich von einer s-Polarisation zu einer p-Polarisation übergehen.
Beispielsweise kann eine lokale Polarisationsverteilung darin bestehen, dass der Laserstrahl radial polarisiert ist. In einem solchen Fall ist die Polarisation invariant unter Rotation des Laserstrahls um seine Strahlausbreitungsrichtung.
Mit anderen Worten bedeutet eine Polarisationsverteilung, dass die Polarisation eine lokale Eigenschaft des nicht-beugenden Strahls ist.
Der Laserstrahl wird von der Polarisationsformungsvorrichtung zu Bearbeitungsoptik geleitet. Die Bearbeitungsoptik kann dazu eingerichtet sein den strahlgeformten und polarisationsgeformten Laserstrahl in eine Fokuszone in einer Fokusebene in das Werkstück zu fokussieren.
Der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen kann als eine gezielte Intensitätsüberhöhung verstanden werden, wobei die Laserenergie in einen „Fokusbereich“ oder eine „Fokuszone“ konvergiert. Insbesondere wird daher im Folgenden der Ausdruck „Fokus“ unabhängig von der tatsächlich verwendeten Strahlform und den Methoden zur Herbeiführung einer Intensitätsüberhöhung verwendet. Durch eine „Fokussierung“ der Laserpulse kann der Ort der Intensitätserhöhung entlang der Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst werden, spricht die Fokusebene ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Intensitätsüberhöhung linienförmig ausgebildet sein, wobei sich um die Fokusposition ein Besselförmiger Fokusbereich ergibt, wie er von einem nicht-beugenden Strahl zur Verfügung gestellt werden kann. Des Weiteren sind auch andere komplexere Strahlformen möglich, deren Fokuszonen sich beliebig in drei Dimensionen erstreckt.
Unter der Fokuszone wird hierbei der Teil der Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des zu bearbeitenden Materials ist. Der Begriff Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.
Wenn ein ultrakurzer Laserpuls in und/oder auf das Werkstück fokussiert wird, kann die Intensität im Fokusvolumen zu einer nichtlinearen Absorption durch beispielsweise Multiphotonen-Absorptions- und/oder Elektronen-Lawinen-Ionisationsprozessen führen. Diese nichtlineare Absorption führt zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Plasmas, wobei bei dessen Abkühlung dauerhafte Strukturänderungen im Material des Werkstücks induziert werden können. Da durch die nichtlineare Absorption Energie in das Volumen des Materials transportiert werden kann, können diese strukturellen Veränderungen im Inneren der Probe erzeugt werden, ohne die Oberfläche des Werkstücks zu beeinflussen.
Bei hohen Repetitionsraten des Lasers kann das Werkstück zwischen den Pulsen nicht vollständig abkühlen, sodass kumulative Effekte der eingebrachten Wärme von Puls zu Puls einen Einfluss auf die Materialmodifikation nehmen können. Beispielsweise kann die Repetitionsfrequenz des Lasers höher sein als der Kehrwert der Wärmediffusionszeit des Werkstücks, sodass in der Fokuszone durch sukzessive Absorption von Laserenergie eine Wärmeakkumulation stattfinden kann, bis die Schmelztemperatur des Werkstücks erreicht ist. Durch den thermischen Transport der Wärmeenergie in die die Fokuszone umliegenden Gebiete kann zudem ein größerer Bereich als die Fokuszone bearbeitet werden. Nach dem Einbringen der ultrakurzen Laserpulse, kühlt das erwärmte Material schnell ab, so dass die Dichte und andere strukturelle Eigenschaften des Hochtemperaturzustands im Material gewissermaßen eingefroren werden.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum durch eine Mikroexplosion. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.
Die Materialmodifikationen werden bevorzugt entlang einer Trennlinie in das Material eingebracht. Die Trennlinie beschreibt die Auftrefflinie der Teillaserstrahlen auf der oberen Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub einer Vorschubvorrichtung werden die Teillaserstrahlen und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, während der Ultrakurzpulslaser mit seiner Repetitionsfrequenz Laserpulse in das Werkstück abgibt.
Relativ zueinander verschiebbar bedeutet hierbei, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Werkstück verschoben werden kann, als auch, dass das Werkstück relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann. Es kann auch sein, dass eine Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls stattfindet.
Durch den Vorschub ergeben sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks. In beiden Richtungen, also in Vorschubrichtungen sowie senkrecht dazu, können sich die Materialmodifikationen wenigstens partiell überlappen. Auch wenn die Fokuszonen diskret sind, können die resultierenden Materialmodifikationen durch Einstellen der Laserparameter so ausgestaltet werden, dass teilweise ein Überlapp vorliegt oder dass die Materialmodifikationen durch Risse verbunden sind.
Die Trennung entlang der Materialmodifikationen erfolgt letztlich beispielsweise durch einen Trennschritt, so dass das Werkstück in den Nutzteilteil und den sogenannten Nicht-Nutzteil oder Abschnitt des Werkstücks geteilt wird. Es ist aber auch möglich, dass es zu einer spontanen Trennung des Werkstücks entlang der Trennlinie durch interne Materialspannungen kommt. Solche spontanen Trennungen werden beispielsweise durch eine Rissführung entlang der Trennlinie begünstigt.
Die Bearbeitung des Materials mit einem strahlgeformten und polarisationsgeformten Laserstrahl wird dadurch verbessert, dass mit der Polarisationsverteilung die doppelbrechende Wirkung des Materials des Werkstücks kompensiert werden kann, so dass entlang der Dickenrichtung des Werkstücks eine gleichförmige Materialmodifikation erzeugt werden kann.
Durch die hohe Symmetrie des Laserstrahls bezüglich der optischen Achse des Materials ändert sich das Intensitätsprofil bei der Propagation durch das Material nicht. Dadurch sind die erzeugten Materialmodifikationen homogen in dem Sinne, dass sie an der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Materials ähnlich sind beziehungsweise die selbe Form aufweisen. Dies führt zu qualitativ hochwertigen Bearbeitungsergebnissen.
Der Laserstrahl kann parallel zu der mindestens einen optischen Achse des Materials senkrecht auf die obere Oberfläche des Materials auftreffen.
Wenn das Material lediglich eine optische Achse aufweist, so ist durch den senkrechten Einfall gewährleistet, dass die Teillaserstrahlen die parallel zur optischen Achse auf das Material treffen, nicht gebrochen werden.
Diejenigen Teillaserstrahlen die durch die Fokussierung unter einem Winkel auf die Oberfläche des Materials treffen werden hingegen aufgespalten und gemäß dem ordentlichen und außerordentlichen Brechungsindex gebrochen.
Beispielsweise werden die Teillaserstrahlen durch die Fokussierung unter einem Winkel auf das Material geleitet. Da die Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls parallel zur optischen Achse ist, liegen die Teillaserstrahlen gewissermaßen auf einer Kegelfläche mit einer kreisförmigen Basis, wobei die Spitze des Kegels mit der Strahlausbreitungsrichtung zusammenfällt. Im Bild des Indexellipsoids bedeutet dies, dass die Teillaserstrahlen gleichmäßig gebrochen werden, da die Brechung eines ersten Teillaserstrahls von der Brechung eines auf dem Kegel gegenüberliegenden Teillaserstrahls mindestens teilweise kompensiert wird. Dadurch können bereits gleichmäßige Materialmodifikationen in dem Material erzeugt werden.
Dem Laserstrahl kann durch eine Phasenformungsvorrichtung eine Vortex-Phasenverteilung aufgeprägt wird.
Eine Vortex-Phasenverteilung beschreibt eine Modifikation der Phase des Laserstrahls die mit dem Abstand zur Strahlachse des Laserstrahls und mit dem Winkel um die Strahlachse herum zunimmt oder abnimmt. Gewissermaßen entspricht eine Vortex-Phasenverteilung einer azimutalen Phasenverteilung.
Mit einer Vortex-Phasenverteilung kann die Laserenergie des strahlgeformten und polarisationsgeformten Laserstrahls auf der Strahlachse geführt werden, wodurch die Materialmodifikationen einen kleineren Durchmesser aufweisen und dadurch die Materialbearbeitung verbessert wird, da kleinere Strukturen in das Material geschrieben werden können. Eine detaillierte Beschreibung dieses Phänomens wird weiter unten gegeben.
Dem Laserstrahl kann durch eine Polarisationsformungsvorrichtung eine radiale- und eine azimutale Polarisationsverteilung aufgeprägt werden und durch die Phasenformungsvorrichtung eine elliptische Phasenverteilung aufgeprägt werden. Mit anderen Worten erfolgt die Phasenformung derart, dass die Fokusverteilung elliptisch wird.
Die elliptische Phasenverteilung ermöglicht die Beeinflussung der Strahlform dahingehend, das auch senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung elongierte Strahlprofile erzeugt werden können. Gewissermaßen kann eine elliptische Phasenverteilung des Laserstrahls die Ausbildung eines elliptischen nicht-beugenden Strahlprofils bedeuten.
Durch die elliptische Strahlform können insbesondere elliptische Materialmodifikationen in das Material eingebracht werden, wodurch eine Steuerung der Rissausbreitung ausgehend von den Materialmodifikationen gesteuert werden kann.
Die elliptische Strahlform hat jedoch den Nachteil, dass die Auftreffwinkel der einzelnen Teillaserstrahlen nicht gleichverteilt ist. Gewissermaßen sind die auf das Material einfallenden Teillaserstrahlen nicht auf der Oberfläche eines Kegels mit einer runden Basis verteilt, sondern auf der Oberfläche eines Kegelns mit einer elliptischen Basis. Durch die doppelbrechende Wirkung des Materials wird das Strahlprofil des Laserstrahls daher bei der Propagation durch das Material gemäß der unterschiedlichen Auftreffwinkel auch unterschiedlich stark gebrochen.
Durch die radiale und azimutale Polarisation kann die Polarisation des Laserstrahls lokal angepasst werden, so dass sich der Laserstrahl im doppelbrechenden Material beispielsweise nicht verzerrt. Dadurch wird somit eine verbesserte Materialbearbeitung mit elliptischen nicht-beugenden Strahlen erreicht.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks eines doppelbrechenden Materials mit mindestens einer optischen Achse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks aus einem doppelbrechenden Material mit mindestens einer optischen Achse vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl mit Laserpulsen bereitzustellen, eine Strahlformungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine nicht-beugende Strahlform mit einer Intensitätsverteilung aufzuprägen, eine Polarisationsformungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine Polarisationsverteilung aufzuprägen, und eine Bearbeitungsoptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in eine Fokuszone in der Fokusebene in das Werkstück zu fokussieren, wobei das Werkstück mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird. Erfindungsgemäß kompensiert die Polarisationsverteilung die Doppelbrechung des Materials des Werkstücks.
Die Strahlformungsvorrichtung kann beispielsweise als ein diffraktives optisches Element (DOE), eine Freiformoberfläche oder ein Axicon oder ein Microaxicon ausgebildet sein, oder eine Kombination mehrerer dieser Komponenten oder Funktionalitäten beinhalten.
Wenn die Strahlformungsvorrichtung aus dem Laserstrahl vor der Bearbeitungsoptik einen nicht-beugenden Laserstrahl formt, dann kann über die Fokussierung der Bearbeitungsoptik die Einbringtiefe der Fokuszone in das Material bestimmt werden. Die Strahlformungsvorrichtung kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass der nicht-beugende Laserstrahl erst durch eine Abbildung mit der Bearbeitungsoptik erzeugt wird.
Ein diffraktives optisches Element kann dazu eingerichtet sein, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung eines bestimmten nicht-beugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.
Ein Axicon ist ein konisch geschliffenes optisches Element, welches aus einem einfallenden Gauß'schen Laserstrahl beim Hindurchtreten einen nicht-beugenden Laserstrahl formt. Insbesondere weist das Axicon einen Konuswinkel α' auf, der gerechnet wird von der Strahleintrittsfläche zur Mantelfläche des Konus. Dadurch werden die Randstrahlen des Laserstrahls zu einem anderen Fokuspunkt gebrochen, als Achs-nahe Strahlen. Dadurch ergibt sich insbesondere eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone. Ein Axicon kann hierbei insbesondere als transmissives oder reflektives Axicon ausgeführt sein.
Die Strahlformungsvorrichtung kann auch über ein geometrisches Phasenhologramm realisiert werden. Geometrische Phasenhologramme sind beispielsweise in Kim, Jihwan, et al. „Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts." Optica 2.11 (2015): 958-964 beschrieben.
Bevorzugt umfasst die Strahlformungsvorrichtung ein Axicon und besonders bevorzugt ein Axicon und ein abbildendes Element.
Der nicht-beugende Strahl kann durch ein abbildendes Element in die hintere Fokusebene der Bearbeitungsoptik überführt werden. Beispielsweise kann das Axicon eine sphärisch geschliffene Rückseite aufweisen, so dass das Axicon und das abbildende Element einteilig ausgebildet sind.
Die Polarisationsformungsvorrichtung kann eine segmentierte Polarisationsplatte sein.
Eine segmentierte Polarisationsplatte umfasst ein oder mehrere Segmente, die dem Laserstrahl eine lokale Polarisationsverteilung aufprägen. Beispielsweise können die Teillaserstrahlen des Laserstrahls durch unterschiedliche Segmente der Polarisationsplatte treten und dadurch polarisiert werden. Nach der Polarisationsplatte weist der Laserstrahl demnach eine Polarisationsverteilung auf, der durch die Polarisation der Teillaserstrahlen bedingt ist.
Die Segmente der Polarisationsplatte können Wellenplatten umfassen, insbesondere λ/2-Platten umfassen. Dadurch kann die Polarisation der Teillaserstrahlen entsprechend der Ausrichtung der Wellenplatten lokal polarisiert werden.
Die Polarisationsformungsvorrichtung kann auch ein lokal polarisierendes Nanogitter sein.
Eine solche Polarisationsformungsvorrichtung umfasst eine Vielzahl von beugenden und/oder streuenden Strukturen, wobei die Streuung und/oder Beugung von der Polarisation der einfallenden Teillaserstrahlen und von der relativen Orientierung zur beugenden und/oder streuenden Struktur abhängt. Je nach Ausrichtung und Orientierung der Strukturen kann so eine lokale Polarisation des Laserstrahls erreicht werden.
Ein Nanogitter weist hierbei den Vorteil auf, dass diese auch komplexe Gitterformen bereitstellen können, so dass wiederum komplexe Polarisationsverteilungen erzeugt werden können.
Eine Polarisationsformungsvorrichtung kann auch ein geometrisches Phasenhologramm sein, siehe oben.
In Strahlausbreitungsrichtung vor der Polarisationsformungsvorrichtung kann eine Strahlaufweitungsvorrichtung angeordnet sein.
Durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung kann der Strahldurchmesser des Laserstrahls von einem ersten Durchmesser auf einen zweiten Durchmesser vergrößert werden. Dadurch können gewissermaßen die Teillaserstrahlen weiter voneinander beabstandet werden, so dass die räumliche Separation unter der sie auf die Polarisationsformungsvorrichtung treffen größer ist. Dementsprechend ist es einfacher eine Polarisationsformungsvorrichtung bereitzustellen, da die polarisierenden Strukturen auf eine größere Fläche verteilt werden können.
Eine Bearbeitungsoptik kann ein optisch abbildendes System sein, das aus einer oder mehreren Komponenten bestehen kann. Eine Komponente kann beispielsweise eine Linse sein, oder eine optisch abbildende Freiformfläche oder eine Fresnelsche Zonenplatte oder ein Objektiv, wie ein Mikroskopobjektiv oder ein F-Theta-Objektiv, oder ein reflektives Off-Axis Paraboloid. Durch die Fokussieroptik kann der Laserstrahl in eine Fokuszone überführt werden. Die Platzierung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung kann durch die Fokussieroptik eingestellt werden. So kann beispielsweise durch ein Verstellen der Fokussieroptik eine Fokuszone auf die Oberfläche des Werkstücks gelegt werden, oder in Werkstücks oder Teilweise auf die Oberfläche und Teilweise in das Werkstück gelegt werden.
Die Strahlausbreitungsrichtung ist insbesondere gegeben durch die optische Achse der Fokussieroptik. Die optische Achse steht hierbei senkrecht zur Eintrittsfläche der Linse.
Die Vorrichtung kann eine Phasenformungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine Phasenverteilung aufzuprägen.
Eine Phasenformungsvorrichtung kann beispielsweise ein optisch transmissives Element sein, welches eine Dickenvariation aufweist. Durch die Dickenvariation kann ein Laufzeitunterschied der Teillaserstrahlen durch das Element erzeugt werde, so dass die Teillaserstrahlen unter einer Phasendifferenz aus dem Element austreten.
Der Laufzeit unterschied kann jedoch auch durch doppelbrechende Strukturen erzeugt werden, wobei die polarisationsabhängigen, unterschiedlichen Brechungsindizes zu einem Phasenschub führen.
Durch die Phasendifferenz kann der Laserstrahl geformt werden, in dem die Teillaserstrahlen eine unterschiedliche Phase aufweisen und dadurch der Laserstrahl insgesamt eine veränderte Phasenfront aufweist.
Die Phasenformungsvorrichtung kann eine Spiralphasenplatte sein.
Eine Spiralphasenplatte ist eine Phasenformungsvorrichtung mit einer Dickenvariation, wobei die Dicke der Spiralphasenplatte mit einer gewissen Steigung, ähnlich der einer Schraube, um die Achse der Spiralphasenplatte ansteigt. Dementsprechend variiert der Phasenschub auch mit dem Azimutwinkel um die Achse der Spiralphasenplatte.
Mit einer Spiralphasenplatte können besonders einfach Vortex-Phasenverteilungen erzeugt werden.
Die Phasenformungsvorrichtung und die Strahlformungsvorrichtung können einteilig ausgebildet sein, insbesondere in einem generalisiertes Axicon realisiert sein.
Generalisierte Axicone sind beispielsweise in Chen, Keyou, et al. „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams." arXiv preprint arXiv:1911.03103 (2019) beschrieben.
Eine einteilige Ausbildung kann beispielsweise darin bestehen, dass die sonst flache Rückseite des Axicons eine entsprechende Dickenvariation einer Spiralphasenplatte aufweist.
Beispielsweise kann dadurch ein weiteres optisches Element im Strahlengang und der damit einhergehende Leistungsverlust reduziert werden. Zudem entfällt zusätzlicher Justageaufwand, da die Phasenformungsvorrichtung und Strahlformungsvorrichtung nicht relativ zueinander justiert werden können.
Eine einteilige Ausbildung wird insbesondere durch generalisierte Axicone realisiert. Generalisierte Axicone sind diffraktive optische Strahlformungselemente, die eine beliebige Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Laserstrahls ermöglichen. Generalisierte Axicone sind hierbei durch verschiedene Flächenelemente zusammengesetzte optische Elemente, wobei jedes Flächenelement einen eigenen Phasenschub erzeugt. Durch die flächige Gitterstruktur die die Flächenelemente ausbilden kann somit dem Laserstrahl eine beliebige Phasenverteilung aufgeprägt werden, die der Superposition der Phasenverteilungen von Phasenelement und Axicon entspricht.
Die Phasenformungsvorrichtung und die Polarisationsformungsvorrichtung können vor der Strahlformungsvorrichtung und vor der Bearbeitungsoptik angeordnet sein.
Beispielsweise kann der Laserstrahl durch die Polarisationsformungsvorrichtung auf die Phasenformungsvorrichtung treffen und anschließend durch die Strahlformungsvorrichtung und ein abbildendes Element in die hintere Brennebene der Bearbeitungsoptik abgebildet werden. Die Bearbeitungsoptik kann den Laserstrahl anschließend in die Fokuszone in das Material des Werkstücks fokussieren.
Die Phasenformungsvorrichtung und die Polarisationsformungsvorrichtung können nach der der Strahlformungsvorrichtung und vor der Bearbeitungsoptik angeordnet sein.
Beispielsweise kann der Laserstrahl durch die Strahlformungsvorrichtung treten und durch ein abbildendes Element in die hintere Brennebene der Bearbeitungsoptik abgebildet werden. In der hinteren Brennebene können die Polarisationsformungsvorrichtung und die Phasenformungsvorrichtung angeordnet sein. Die Bearbeitungsoptik kann den Laserstrahl nach Durchlaufen der Polarisationsformungsvorrichtung und der Phasenformungsvorrichtung anschließend in die Fokuszone in das Material des Werkstücks fokussieren.
Beispielsweise kann in beiden Fällen auch das abbildende Element von der Strahlformungsvorrichtung beabstandet angeordnet sein.
In allen Fällen kann der Laserstrahl vor dem Durchlaufen der oben genannten optischen Elemente mit einer Strahlaufweitungsvorrichtung aufgeweitet werden.
Eine Vorschubvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander mit einem Vorschub zu bewegen. Beispielsweise kann das Werkstück auf der Vorschubvorrichtung montiert werden, wobei der Laserstrahl ortsfest ist und das Werkstück unter dem Laserstrahl mit einem XYZ-Tisch bewegt wird. Es kann aber auch sein, dass das Werkstück ortsfest montiert wird und der Laserstrahl über eine oder mehrere Ablenkoptiken über das Werkstück geführt wird. Es ist aber auch möglich, dass sowohl das Laserstrahl als auch das Werkstück bewegt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
2.1, 2.2, 2.3 schematische Darstellungen der Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls in einem Material nach dem Stand der Technik;
3.1, 3.2, 3.3 weitere schematische Darstellungen der Intensitätsverteilung eines elliptischen nicht-beugenden Laserstrahls in einem Material nach dem Stand der Technik;
4.1 und 4.2 schematische Darstellungen der Materialbearbeitung nach dem Stand der Technik;
5 eine schematische Darstellung der Ausrichtung von Strahlausbreitungsrichtung und Polarisation nach dem Stand der Technik in einem doppelbrechenden Material;
6.1, 6.2 schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6.3 schematische Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens;
7.1, 7.2, 7.3 schematische Darstellungen der Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls in einem doppelbrechenden Material nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
8.1, 8.2, 8.3 weitere schematische Darstellungen der Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls in einem doppelbrechenden Material nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
9.1, 9.2, 9.3 weitere schematische Darstellungen der Intensitätsverteilung eines elliptischen nicht-beugenden Laserstrahls in einem doppelbrechenden Material nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
9.4 eine schematische Darstellung einer Superposition aus radialer und azimutaler Polarisation;
10.1 und 10.2 schematische Darstellungen von Polarisationsformungsvorrichtungen;
11 eine schematische Darstellung eines generalisierten Axicons;
12 eine schematische Darstellung einer Spiralphasenplatte; und
13 eine schematische Darstellung eines Saphirkristalls.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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.
1 zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Der Laser 2 erzeugt einen Laserstrahl 20, in dem ultrakurze Laserpulse entlang der Strahlausbreitungsrichtung z propagieren. Der Laserstrahl 20 kann beispielsweise durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung 7 von einem ersten Stahldurchmesser auf einen zweiten Strahldurchmesser aufgeweitet werden. Anschließend wird der aufgeweitete Laserstrahl 20 durch eine Strahlformungsvorrichtung 4 in einen nicht-beugenden Laserstrahl, spricht das Intensitätsprofil I des Laserstrahls wird so manipuliert, dass es sich für die gewünschte Materialbearbeitung eignet. Die Strahlformungsvorrichtung 4 kann beispielsweise ein Axicon 40 umfassen, welches einen nicht-beugenden und in Strahlausbreitungsrichtung z elongierten Laserstrahl ausbildet. Der Laserstrahl 20 kann nach dem Axicon 40 von einem abbildenden Element 42 in eine hintere Fokalebene der Bearbeitungsoptik 5 überführt werden. Die Bearbeitungsoptik 5 fokussiert den Laserstrahl 20 anschließend in eine Fokuszone in oder auf Werkstück 1, wo das Material des Werkstücks mit den Laserpulsen beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird.
2.1 bis 2.3 zeigen die Propagation eines solchen nicht-beugenden Laserstrahls 20 in einem doppelbrechenden Material für verschiedene Tiefen z.
2.1a zeigt das Intensitätsprofil des Laserstrahl 20 an der Oberfläche z=0,00mm des doppelbrechenden Materials. Insbesondere ist zu erkennen, dass die gesamte Energie des Laserstrahls im nullten Maximum der Intensitätsverteilung I konzentriert ist. 2.1b zeigt in Form von weißen Linien die Polarisation des Laserstrahls an der Oberfläche. Der Laserstrahl ist global linear entlang der x-Achse polarisiert.
2.2a zeigt bei einer Tiefe von z=0,65mm in dem Material, dass die Energie des Laserstrahls nicht mehr nur auf das nullte Maximum konzentriert ist, sondern das erste Maximum auf Kosten des nullten Maximums Laserenergie führt. Dies führt dazu, dass in tieferen Schichten des Materials die eingebrachten Materialmodifikationen größer sind, oder bei unterschreiten einer Bearbeitungsschwelle nicht mehr eingebracht werden können. 2.2b zeigt, dass sich die Polarisation des Laserstrahls 20 geändert hat, wobei sich um die Strahlachse herum elliptische Polarisationszustände ausbilden.
2.3a zeigt bei einer Tiefe von z=1,30mm in dem Material, dass der Energietransport im nullten Maximum im Vergleich zum ersten Maximum vernachlässigbar klein ist. Somit können nur noch Materialmodifikationen mit dem Durchmesser des ersten Maximums eingebracht werden. 2.3b zeigt zudem, dass sich auch die Polarisation des Laserstrahls 20 weiter verändert hat.
3.1a zeigt das Intensitätsprofil eines Laserstrahls mit einem elliptischen Strahlquerschnitt. Das Intensitätsprofil umfasst hierbei hantelförmig angeordnete Intensitätsmaxima in denen die Laserenergie geführt wird. Typischerweise ist die Energie in den in y-Richtung übereinander angeordneten drei Intensitätsmaxima so groß, dass durch diese eine elliptische Materialmodifikation im Material hervorgerufen wird. Diese elliptische Materialmodifikation weist dann eine Vorzugsrichtung auf, entlang derer Risse im Material propagieren können.
3.1b zeigt, dass an der Oberfläche der Laserstrahl noch zirkular polarisiert ist.
3.2a und 3.2b zeigen, dass sich in einer Tiefe von z=0,65mm das Intensitätsprofil und die Polarisationsverteilung bereits drastisch verändert haben. Insbesondere wurde die transportierte Laserenergie in die „Hantelscheiben“ der Hantelförmigen Intensitätsverteilung verlagert.
3.3a zeigt, dass in einer Tiefe von z=1,30mm das ursprüngliche Strahlprofil stark abgewandelt ist und insbesondere die elliptische Struktur von drei übereinander angeordneten Intensitätsmaxima so nicht mehr existiert, sondern in x-Richtung aufgespalten wurde. Auch die Polarisationsverteilung des Laserstrahl 20 hat sich weiter verändert.
4.1a und 4.2a zeigen ein weiteres Intensitätsprofil eines Laserstrahls 20 in einer Tiefe von z=0,6mm und z=1,3mm. Hierbei lässt sich insbesondere eine Symmetrieumkehr des Intensitätsprofils beobachten. Beispielsweise ist das halbmondförmige Intensitätsmaximum bei z=0,65mm nach oben geöffnet, während es bei z=1,3mm nach unten geöffnet ist.
Die Folgen solcher variabler Intensitätsprofile in der Materialdicke bei der Materialbearbeitung sind in 4.2 gezeigt. 4.2a, b zeigen zwei Materialmodifikationen an der oberen Oberfläche eines doppelbrechenden Materials 1. Die Materialmodifikationen weisen einen elliptischen Querschnitt auf, so dass sich entlang der langen Achse der Ellipse eine gezielte Rissausbreitung ergibt. Durch die definierte Form der Materialmodifikation lässt sich somit eine Rissausbreitung steuern und beispielsweise von einer Materialmodifikation zu einer benachbarten Materialmodifikation leiten. Durch ein entsprechendes Anordnen der Materialmodifikationen auf einer gewünschten Trennlinie des Werkstücks kann das Werkstück beispielsweise ohne weiteren Trennschritt getrennt werden.
4.2c, d zeigen jedoch die zugehörigen Materialmodifikationen an der Unterseite des Materials 1. Durch die Propagation des Laserstrahl 20 in dem doppelbrechenden Material hat sich die Intensitätsverteilung verändert, so dass die Materialmodifikationen an der Unterseite eine andere Symmetrie und eine andere Ausrichtung aufweisen.
Die Materialmodifikation in 4.2a erlaubt beispielsweise noch eine Rissausbreitung an der oberen Oberfläche während die zugehörige Materialmodifikation in 4.2c aus drei einzelnen Modifikationen besteht, die aufgrund der fehlenden Vorzugsrichtung keine spontane Rissausbreitung mehr ermöglicht.
Die Materialmodifikation in 4.2b erlaubt ebenfalls die Risspropagation entlang einer bestimmten Richtung an der oberen Oberfläche. In 4.2d ist jedoch zu erkennen, dass in der unteren Oberfläche zwei verschiedene Materialmodifikationen ausgebildet werden. Die Richtung der Rissausbreitung dieser Materialmodifikationen unterscheidet sich von den Modifikationen an der oberen Oberfläche. Dadurch kann insgesamt keine glatte und qualitativ hochwertige Trennkante erreicht werden.
Die oben genannten Nachteile des Standes der Technik beruhen darauf, dass das doppelbrechende Material einen Brechungsindex aufweist, der von der Richtung und dem Auftreffwinkel der Teillaserstrahlen auf das Material 1 abhängt. Typischerweise ist der Laserstrahl global polarisiert, beispielsweise linear polarisiert, wie in 5 gezeigt. Beispielsweise zeigt das elektrische Feld immer entlang der y-Achse. Wenn ein solcher Laserstrahl 20 unter einem Öffnungswinkel der Bearbeitungsoptik 5 auf das Material 1 fokussiert wird, so liegen alle Teillaserstrahlen auf einem Kegel, in dessen Mitte die Strahlausbreitungsrichtung z liegt. Bei einer linearen Polarisation ändert sich lokal auf dem Kegel der Winkel zwischen dem elektromagnetischen Feld und der Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen, wie durch die Projektion der Ausbreitunsgrichtungen auf die x-y-Ebene gezeigt ist. Hierbei gibt es Konfigurationen in denen die elektrische Feldkomponente E mit der Ausbreitungsrichtung zusammenfällt, aber auch Konfigurationen in denen die elektrische Feldkomponente E senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung steht.
Da die Brechung in dem doppelbrechenden Material von der Richtung der Teillaserstrahlen und der Polarisation relativ zur optischen Achse abhängt, kann eine Doppelbrechung und somit eine Divergenz der Laserstrahlenergie vermieden werden, wenn die Polarisation lokal an die Richtung der Teillaserstrahlen relativ zur optischen Achse des doppelbrechenden Materials angepasst wird.
In 6.1a ist schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, mit der eine solche Einstellung vorgenommen werden kann. Der Laserstrahl 20 des Lasers wird durch einen Strahlaufweiter 7 geleitet, um den Durchmesser des Laserstrahls von einem ersten Durchmesser auf einen zweiten Durchmesser zu vergrößern. Der Laserstrahl wird anschließend auf eine Polarisationsformungsvorrichtung 3 geleitet, die dem Laserstrahl 20 eine Polarisationsverteilung aufprägt, so dass die Teillaserstrahlen lokal unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen. Anschließend kann der Laserstrahl 20 durch eine optionale Phasenformungsvorrichtung 6 geleitet werden, um dem Laserstrahl 20 eine Phasenverteilung aufzuprägen, so dass die Teillaserstrahlen lokal unterschiedliche Phasen aufweisen.
Anschließend wird der Laserstrahl 20 durch eine Strahlformungsvorrichtung 4 geleitet, wobei dem Laserstrahl mit einem Strahlformungselement 40 insbesondere eine nicht-beugende Strahlform aufgeprägt wird. Durch das abbildende Element 42 der Strahlformungsvorrichtung 4 kann der Laserstrahl 20 anschließend in die hintere Fokalebene F der Bearbeitungsoptik 5 geleitet werden, von wo aus die Bearbeitungsoptik 5 den Laserstrahl 20 in eine Fokuszone fokussiert, die in oder auf dem Material 1 des Werkstücks liegt, wobei die Beaufschlagung des Materials 1 mit dem Laserstrahl 20 eine Materialbearbeitung bewirkt.
Optional können in allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowohl die Polarisationsformungsvorrichtung als auch die Phasenformungsvorrichtung um ihre Achse rotiert werden (gestrichelter Pfeil). Dadurch kann beispielsweise die Ausrichtung der Polarisationsverteilung bestimmt werden oder die Ausrichtung der Phasenfront durch die Phasenformungsvorrichtung.
In 6.1b ist eine weitere schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 6.1a gezeigt, bei das abbildende Element 42 räumlich beabstandet zum Strahlformungselement 40 angeordnet ist.
In 6.2a ist eine weitere schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der die Polarisationsformungsvorrichtung 3 und die Phasenformungsvorrichtung 6 in der hinteren Fokalebene F der Bearbeitungsoptik 5 angeordnet sind.
In 6.2b ist eine weitere schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 6.2a gezeigt, bei das abbildende Element 42 räumlich beabstandet zum Strahlformungselement 40 angeordnet ist.
Alle genannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen weisen eine Vorschubvorrichtung auf (nicht gezeigt), mit der der Laserstrahl 20 und das Werkstück relativ zueinander verschoben werden können. Dadurch können die Materialmodifikation an verschiedenen Stellen des Werkstücks eingebracht werden. Insbesondere können die Materialmodifikationen auf einer gewünschten Trennlinie eingebracht werden, wodurch eine besonders qualitativ hochwertige Trennung des Materials des Werkstücks entlang der Trennlinie möglich ist.
In 6.3 ist eine mögliche Funktionsweise der Erfindung beschrieben. Der Laserstrahl 20 tritt beispielsweise in 6.3a parallel zur optischen Achse bei z=0 in das Material ein. Der Laserstrahl 20 ist hierbei fokussiert, wobei die Teillaserstrahlen in dem Material 1 auf einer Kegeloberfläche liegen. Die einzelnen Teillaserstrahlen k1, k2, gezeigt in 6.3.b, werden gemäß der Brechungsindizes des Indexellipsoiden in ordentliche und außerordentliche Strahlen gebrochen. Der Kern der Erfindung kann nun darin gesehen werden, das die Polarisation des Laserstrahls 20 lokal so angepasst wird, dass jeder Teillaserstrahl lediglich eine elektrische Feldkomponente in der Richtung aufweist, dass die Energie ausschließlich in dem ordentlichen Strahl oder dem außerordentlichen Strahl transportiert wird. Dadurch kann die Strahlausbreitung des polarisationsangepassten Laserstrahls im doppelbrechenden Material in guter Näherung mit der eines nicht polarisationsangepassten Laserstrahls in einem nicht doppelbrechenden Material verglichen werden.
In 7 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, bei dem der Laserstrahl 20 durch eine der vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen geleitet wird. Insbesondere wird hierbei der Laserstrahl 20 durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung 7, eine Polarisationsformungsvorrichtung 3 und eine Strahlformungsvorrichtung 4 geleitet.
In 7.1 ist beispielsweise eine Intensitätsverteilung I des Laserstrahls 20 mit einem ringförmigen nullten Maximum zu sehen an der Oberfläche des Material 1 bei z=0mm zu sehen. 7.1b zeigt, dass der Laserstrahl 20 radial polarisiert ist. Die elektrische Feldkomponente zeigt dabei radial weg von dem Mittelpunkt der Intensitätsverteilung. 7.2a und 7.3a zeigen, dass die Energie auch in Tiefen von 0,65mm und 1,3mm immer noch in dem nullten Intensitätsmaximum der Intensitätsverteilung I transportiert wird. Desweitere wird die Intensitätsverteilung I durch die Propagation in dem doppelbrechenden Material auch nicht modifiziert, ebenso wenig wie die Polarisationsverteilung die in 7.2b und 7.3 gezeigt ist.
Durch eine solche Polarisationsverteilung ist es somit möglich den in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Laserstrahl 20 ohne störende Strahldivergenz durch ein doppelbrechendes Material 1 zu führen. Dementsprechend weisen die Materialmodifikationen die an der Oberseite und der Unterseite des Materials 1 eingebracht werden gleiche Formen und Symmetrien auf.
In 8 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, bei dem der Laserstrahl 20 durch eine der vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen geleitet wird. Insbesondere wird hierbei der Laserstrahl 20 durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung 7, eine Polarisationsformungsvorrichtung 3, eine Phasenformungsvorrichtung 6 und eine Strahlformungsvorrichtung 4 geleitet. Die Phasenformungsvorrichtung 6 prägt dem Laserstrahl 20 hierbei eine Vortex-Phasenverteilung auf.
Im Unterschied zu dem Intensitätsprofil der 7 weist das Intensitätsprofil der 8.1a nun ein geschlossenes nulltes Maximum auf, in dem die Energie transportiert wird. Gewissermaßen kann durch die Vortex-Phasenverteilung der Laserstrahl 20 aus 7 auf ein nulltes Maximum in 8 konzentriert werden. Der Laserstrahl 20 ist ebenfalls radial polarisiert, wie in 8.1b gezeigt.
Die Strahlform und die Polarisation bleiben beim Durchgang durch das doppelbrechende Material erhalten, wie ein Vergleich der Intensitätsverteilungen der 8.1, 8.2 und 8.3 für die Tiefen z=0mm, z=0,65 und z=1,30mm zeigt.
In 9 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, bei dem der Laserstrahl 20 durch eine der vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen geleitet wird. Insbesondere wird hierbei der Laserstrahl 20 durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung 7, eine Polarisationsformungsvorrichtung 3, eine Phasenformungsvorrichtung 6 und eine Strahlformungsvorrichtung 4 geleitet. Die Polarisationsformungsvorrichtung 3 prägt dem Laserstrahl 20 eine azimutale und radiale Polarisationsverteilung auf, während die Phasenformungsvorrichtung 6 dem Laserstrahl eine elliptische Strahlform aufprägt.
Mischzustände aus radialer und azimutaler Polarisation werden auch „Higher-Order Poincaré-Sphere Beams“ genannt, siehe Naidoo, Darryl, et al. „Controlled generation of higher-order Poincaré sphere beams from a laser." Nature Photonics 10.5 (2016): 327-332.
Die Strahlform bleiben beim Durchgang durch das doppelbrechende Material weitestgehend erhalten, wie ein Vergleich der Intensitätsverteilungen der 9.1, 9.2 und 9.3 für die Tiefen z=0mm, z=0,65 und z=1,30mm zeigt. Die Polarisation ändert sich jedoch für die verschiedenen Tiefen.
In 9.4 ist eine mögliche azimutale und radiale Polarisationsverteilung des Laserstrahls gezeigt.
In 10.1 ist eine mögliche Ausführungsform einer Polarisationsformungsvorrichtung gezeigt. Die Polarisationsformungsvorrichtung 3 weist unterschiedliche Segmente 30 auf, wobei jedes Segment 30 einem λ/2-Plättchen entspricht, welches die Polarisation des auftreffenden Laserstrahls 20 jeweils um einen bestimmten Betrag dreht. Durch die Überlagerung der verschiedenen Teillaserstrahlen die durch die Polarisationsformungsvorrichtung 30 treten, kann beispielsweise eine radiale Polarisation des Laserstrahl 20 erzeugt werden.
Eine weitere mögliche Ausführungsform einer Polarisationsformungsvorrichtung 3 ist in 10.2 gezeigt. Die Polarisationsformungsvorrichtung 3 ist hierbei ein lokal polarisierendes Nanogitter. Das lokal polarisierende Nanogitter weist nanoskopische Beugungsstrukturen 32 auf, die eine polarisationsabhängige Streuung des Laserstrahls 20 bewirken. Beispielsweise werden nur diejenigen Teillaserstrahlen gestreut, deren Polarisation parallel zur Beugungsstruktur ist. In diesem Fall können die Teillaserstrahlen die auf den Bereich A treffen stark gestreut werden und die Teillaserstrahlen die auf den Bereich B treffen werden nicht gestreut. Dadurch kann beispielsweise insgesamt eine radiale Polarisation bewirkt werden. Durch die Ausrichtung der nanoskopischen Beugungsstrukturen können jedoch beliebige Polarisationsverteilungen erzeugt werden.
In 11 ist ein sogenanntes generalisiertes Axicon 400 gezeigt, mit dem die funktionalen Eigenschaften einer Phasenformungsvorrichtung 6 und eines Axicons 40 bereitgestellt werden können.
Ein generalisiertes Axicon 400 ermöglicht das Aufprägen einer Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Laserstrahls 20. Es umfasst aneinander angrenzenden Flächenelementen 402, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement 402 ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist und die Phasenschiebungswerte eine zweidimensionale Phasenverteilung definieren. Die Flächenelemente 402 sind einer Mehrzahl von Winkelsegmenten 404, 404' zugeordnet, wobei jedes Winkelsegment 404, 404' eine azimutale Segmentbreite bezüglich der Strahlmittenposition aufweist. Mittels der Winkelsegmente 404, 404' und Flächenelemente 402 ist es möglich beliebige Strahlformen zu erzeugen.
Bei dem in 11 gezeigten Axicon ist die radiale Symmetrie durch Phasenschiebungen in den Winkelsegmenten gebrochen. Hieraus resultiert eine elliptische Verteilung des nicht-beugenden Laserstrahls auf der Strahlachse.
In 12 ist schematisch eine Phasenformungsvorrichtung 6 in Form einer Spiralphasenplatte gezeigt, mit der eine Vortex-Phasenverteilung erzeugt werden kann. Die Phasenformungsvorrichtung weist hierbei eine Steigung auf, wie bei einer Schraube. Bei einer Umdrehung der Phasenformungsvorrichtung um ihre Achse steigt die Dicke der Phasenformungsvorrichtung um den Betrag Δh an. Dieser Betrag kann gerade so gewählt werden, dass er einem Vielfachen der verwendeten Laserwellenlänge entspricht, so dass sich bei der Kante der Phasenformungsvorrichtung kein Sprung ergibt, sondern beispielsweise eine Phasendifferenz von 6π auf 0π oder von 2π auf 0π. Die Phasendifferenz dividiert durch 2π gibt die sogenannte Ladung der Spiralphasenplatte an. Mit der Ladung kann besonders einfach der Durchmesser der Vortex-Phasenverteilungen eingestellt werden. Bevorzugt werden ganzzahlige Ladungen verwendet, beispielsweise eine Ladung von 1.
In 13 ist die Kristallstruktur von Saphir gezeigt. Die optische Achse von Saphir fällt mit der C-Achse des Kristalls zusammen. Wenn der Laserstrahl 20 parallel zur C-Achse in den Saphir eintritt, können obige vorteilhaften Wirkungen besonders einfach erreicht werden.
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.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Laser
20: Laserstrahl
3: Polarisationsformungsvorrichtung
4: Strahlformungsvorrichtung
40: Axicon
400: generalisiertes Axicon
402: Flächenelement
404: Winkelsegment
42: abbildendes Element
5: Bearbeitungsoptik
6: Phasenformungsvorrichtung
7: Strahlaufweiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019128362B3 [0004]
EP 3305456B1 [0004]
US 10218145 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 [0023]
K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006 [0035]
Kim, Jihwan, et al. „Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts.“ Optica 2.11 (2015): 958-964 [0060]
Chen, Keyou, et al. „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams.“ arXiv preprint arXiv:1911.03103 (2019 [0082]
Naidoo, Darryl, et al. „Controlled generation of higher-order Poincaré sphere beams from a laser.“ Nature Photonics 10.5 (2016): 327-332 [0126]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (1) aus einem doppelbrechenden Material mit mindestens einer optischen Achse (OA) mittels ultrakurzer Laserpulses eines Laserstrahls (20) eines Ultrakurzpulslasers (2), wobei dem Laserstrahl (20) durch eine Strahlformungsvorrichtung (4) eine nicht-beugende Strahlform mit einer Intensitätsverteilung aufgeprägt wird, wobei dem Laserstrahl (20) durch eine Polarisationsformungsvorrichtung (3) eine Polarisationsverteilung aufgeprägt wird, wobei der Laserstrahl (20) von einer Bearbeitungsoptik (5) in eine Fokuszone in einer Fokusebene in das Werkstück (1) fokussiert wird, wobei das Werkstück (1) mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, wobei die Polarisationsverteilung die Doppelbrechung des Materials des Werkstücks (1) kompensiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Saphir ist und /oder die Dicke des Materials zwischen 300µm und 3000µm, bevorzugt zwischen 500µm und 2000µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) parallel zu der mindestens einen optischen Achse (OA) des Materials senkrecht auf die obere Oberfläche des Materials auftrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) ein elliptischer nicht-beugender Strahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (20) durch die Polarisationsformungsvorrichtung (3) eine radiale Polarisationsverteilung aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (20) durch eine Phasenformungsvorrichtung (6) eine Vortex-Phasenverteilung aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (20) durch eine Polarisationsformungsvorrichtung (3) eine radiale und eine azimutale Polarisationsverteilung aufgeprägt wird und durch die Phasenformungsvorrichtung (6) eine elliptische Phasenverteilung aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer der ultrakurzen laserpulse zwischen 300fs und 12ps beträgt.
Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (1) aus einem doppelbrechenden Material (10) mit mindestens einer optischen Achse (OA), umfassend einen Ultrakurzpulslaser (2), der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (20) mit Laserpulsen bereitzustellen eine Strahlformungsvorrichtung (4), die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (20) eine nicht-beugende Strahlform mit einer Intensitätsverteilung aufzuprägen, eine Polarisationsformungsvorrichtung (3), die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (20) eine Polarisationsverteilung aufzuprägen, und eine Bearbeitungsoptik (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) in eine Fokuszone in der Fokusebene in das Werkstück (1) zu fokussieren, wobei das Werkstück (1) mit dem Laserstrahl (20) beaufschlagt wird und dadurch bearbeitet wird, wobei die Polarisationsverteilung die Doppelbrechung des Materials des Werkstücks (1) kompensiert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsvorrichtung (4) ein Axicon (40) umfasst, bevorzugt ein Axicon (40) und ein abbildendes Element (42) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsformungsvorrichtung (3) eine segmentierte Polarisationsplatte ist und/oder ein lokal polarisierendes Nanogitter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet, durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Strahldurchmesser des Laserstrahls von einem ersten Durchmesser auf einen zweiten Durchmesser zu vergrößern, wobei die Strahlaufweitungsvorrichtung bevorzugt vor der Polarisationsformungsvorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Phasenformungsvorrichtung (6), die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (20) eine Phasenverteilung aufzuprägen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenformungsvorrichtung (6) eine Spiralphasenplatte ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenformungsvorrichtung (6) und die Strahlformungsvorrichtung (4) einteilig ausgebildet sind, insbesondere in einem generalisiertes Axicon realisiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenformungsvorrichtung (6) und die Polarisationsformungsvorrichtung (3) vor der Strahlformungsvorrichtung (4) oder nach der der Strahlformungsvorrichtung (4) und vor der Bearbeitungsoptik (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) und das Werkstück (1) relativ zueinander mit einem Vorschub zu bewegen.