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EP4263118A1 - Vorrichtung zur strahlbeeinflussung eines laserstrahls - Google Patents

Vorrichtung zur strahlbeeinflussung eines laserstrahls

Info

Publication number
EP4263118A1
EP4263118A1 EP21836375.2A EP21836375A EP4263118A1 EP 4263118 A1 EP4263118 A1 EP 4263118A1 EP 21836375 A EP21836375 A EP 21836375A EP 4263118 A1 EP4263118 A1 EP 4263118A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
deflector
pulse
laser beam
precise
transformation
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21836375.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Grossmann
Malte Kumkar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser Se
Original Assignee
Trumpf Laser 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 filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4263118A1 publication Critical patent/EP4263118A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]
    • G02F1/2955—Analog deflection from or in an optical waveguide structure] by controlled diffraction or phased-array beam steering

Definitions

  • the present invention relates to a device for influencing the beam of a laser beam, in particular for use with an ultra-short pulse laser with higher average powers.
  • Ultrashort-pulse lasers can be used to process materials, in which case the laser energy introduced into the material to be processed brings about the desired material processing.
  • the laser beam and the material are moved relative to each other with a feed along a feed trajectory, with the ultrashort pulse laser emitting laser pulses which are then introduced into the material at different points of the feed trajectory.
  • the pulse frequency of the laser pulses is often fixed or can only be changed to a limited extent, so that when the movement speed varies, such as a sudden change of direction in connection with inertial movement systems, the spatial distance of the laser pulses along the feed trajectory in the material varies.
  • a device for influencing a laser beam of an ultrashort pulse laser comprising a pulse-precise deflector unit which is set up to deflect the laser beam in at least one direction perpendicular to the beam propagation direction, with a transformation optics arrangement having at least two components, those of the pulse-precise deflector unit downstream, which is set up to transform a spatial deflection and/or angular deflection of the laser beam by the pulse-accurate deflector unit with a spatial-to-angle and/or an angle-to-spatial transformation into an angular deflection and/or a spatial deflection and / or to transform back, and processing optics, which is arranged downstream of the transformation optics arrangement and is set up to guide the laser beam into the image-side focal plane of the processing optics.
  • the ultra-short pulse laser provides ultra-short laser pulses.
  • ultra-short can mean that the pulse length is between 500 picoseconds and 10 femtoseconds, for example, and in particular between 10 picoseconds and 100 femtoseconds.
  • the laser can also provide bursts of ultra-short laser pulses, each burst comprising the emission of several laser pulses at a time interval of less than 100 ns within a period of less than 10 microseconds.
  • a time-shaped pulse that has a significant change in amplitude, for example of more than 50%, within a range between 50 and 5000 femtoseconds is also considered to be an ultra-short laser pulse.
  • the ultra-short laser pulses move in the beam propagation direction along the laser beam formed by them.
  • a pulse-accurate deflector unit is set up to deflect the laser beam in at least one direction perpendicular to the beam propagation direction.
  • a beam deflection can consist in influencing the direction of propagation of the laser beam, in which case the incident laser beam in particular can be shifted parallel to its original direction of propagation, ie a spatial parallel offset can be imposed on the laser beam.
  • beam deflection can also consist in impressing an angular offset on the laser beam, so that the direction of propagation of the laser beam changes by an angle due to the influencing of the beam.
  • a pulse-precise deflector unit here comprises one or more pulse-precise deflectors.
  • a deflector is pulse-accurate if it is possible to individually deflect each laser pulse of the ultrashort pulse laser.
  • the working frequency of the pulse-precise deflector can be synchronized with a basic frequency of the laser, for example, so that the working frequency of the pulse-precise deflector corresponds at least to the repetition frequency of the ultrashort pulse laser.
  • the following text only speaks of deflectors, always meaning a pulse-precise deflector or a pulse-precise deflector unit.
  • a deflector can be, for example, a microelectronic mechanical element or an electro-optical deflector or an acousto-optical deflector. The functionality of an acousto-optical deflector is described below.
  • an acoustic wave is generated in an optically adjacent material, for example via an alternating voltage on a piezoelectric crystal, which acoustic wave periodically modulates the refractive index of the optical material.
  • the wave can propagate through the optical material, for example as a propagating wave or as wave packets, or be in the form of a standing wave.
  • a diffraction grating for an incident laser beam is realized here by the periodic modulation of the refractive index.
  • the diffraction pattern that results for the laser beam corresponds to the transformed lattice function, for example and preferably the Fourier-transformed lattice function.
  • An incident laser beam is thus diffracted at the diffraction grating and thereby at least partially deflected at an angle ⁇ to its original beam propagation direction.
  • the angular offset causes the laser beam to be deflected in a direction perpendicular to the original direction of propagation of the laser beam.
  • the grating constant of the diffraction grating and thus the angle a depend, among other things, on the wavelength or the periodicity of the standing grating oscillation or on the frequency of the AC voltage applied. For example, a large angular displacement for the first diffraction order is achieved by an acoustic wave with a small wavelength.
  • a transformation optics arrangement is an optical structure of a component system which comprises at least two components.
  • a component can in particular be an optical component with imaging properties, such as, for example, with a focusing or collimating effect.
  • imaging properties such as, for example, with a focusing or collimating effect.
  • imaging or curved mirrors beam-shaping elements, diffractive optical elements, lenses such as for example converging lenses or diffusing lenses, Fresnel zone plates and other free-form components.
  • the laser beam When passing through the deflector unit, the laser beam is subjected to a spatial and/or angular deflection in the front deflector plane.
  • the front deflector plane can lie inside or outside the outer mechanical configuration of the deflector. Accordingly, the front deflector plane does not necessarily coincide with the mechanical end of the deflector unit.
  • the first component of the transformation optics arrangement can be arranged at a first distance from the front deflector plane.
  • the front deflector plane can be in the object-side focal point of the first component or between the object-side focal point and the first component itself.
  • the first component produces a transformation of the spatial and/or angular deflection of the front deflector plane into an angular and/or spatial deflection in the first transformation plane.
  • a local deflection is transformed into an angular deflection, or an angular deflection is transformed into a local deflection.
  • part of the laser beam for example a particularly divergent part of the laser beam, can be separated and, for example, as shown below, filtered out of the beam path.
  • the second component can be arranged at a second distance from the first component, with the second component generating an inverse transformation or an extensive inverse transformation, in particular an inverse transformation from the first filtered transformation plane into the so-called corresponding deflector plane.
  • the corresponding deflector plane is at a third distance from the last element of the transformation optics arrangement.
  • the corresponding deflector plane may be located between the last element and the image-side focal plane of the element, or in the image-side focal plane itself. Since the second component generates an inverse transformation of the filtered transformation plane, a cleaned laser beam is created in the corresponding deflector plane, which, for example, no longer contains any diverging beam parts.
  • the transformation plane is also referred to herein as a Fourier plane.
  • the transformation optics arrangement is arranged downstream of the deflector unit or is provided separately from it. This can achieve that the laser beam deflected in the deflector unit can be subjected to downstream beam shaping. This is particularly important because the deflector unit usually has only a small acceptance of position deviations and beam shape deviations and in particular angular deviations at its entrance in order to provide precise beam influencing and in particular beam deflection. Since the beam shaping is performed downstream by the transformation optics arrangement, a stable input can be provided for the deflector unit and thus a simple and stably reproducible behavior of the deflector unit can be achieved.
  • Processing optics are provided downstream of the transformation optics arrangement, which are set up to guide the deflected and transformed laser beam into the image-side focal plane of the processing optics.
  • the processing optics produce a final angle-to-space transformation.
  • all beam-deflecting elements i.e. the influence of the deflector unit, are transferred to the processing level according to their desired effect.
  • the processing optics can in particular also be the second component of the transformation optics arrangement.
  • the processing optics can preferably form a telescope with a preferably reducing effect with the final component of the transformation optics arrangement.
  • the corresponding planes described above are generally defined as the planes linked by an angular to spatial transformation and a subsequent inverse spatial to angular transformation (also referred to as inverse transformation), for example by a transformation optics arrangement.
  • a transformation optics arrangement the front deflector plane in front of the first component can be linked to the corresponding deflector plane behind the second plane by this relationship. This therefore corresponds to a mapping of the front deflector plane into the corresponding deflector plane.
  • the planes described above are flat surfaces which are oriented perpendicularly to the direction of beam propagation and, in particular, are not curved and only extend two-dimensionally.
  • the optical components lead to slight curvatures and distortions of these surfaces, so that these surfaces are usually at least locally curved.
  • the focal point also has a finite volume due to the components used. The components used can also result in a curved focal volume instead of a flat, two-dimensional focal plane, in which an image of the laser beam is still sufficiently sharp, as specified below.
  • a positioning tolerance can be up to 20%, so that a component that is to be at a first distance from a reference point of, for example, 10 cm still enables a sufficiently sharp image even at 9 cm and 11 cm.
  • the images are automatically sufficiently “sharp” if the components are all positioned within the positioning tolerance.
  • a "coincidence" of two planes or two points means that the associated volumes at least partially overlap.
  • two components can also directly follow one another in largely collimated beam areas.
  • the term "focus” can also be understood in general as a targeted increase in intensity, with the laser energy converging in a "focus area”.
  • the term “focus” is therefore used in the following regardless of the beam shape actually used and the methods for bringing about an intensity increase.
  • the location of the increase in intensity along the direction of beam propagation can also be influenced by "focusing".
  • the increase in intensity can be more or less punctiform and the focal area can have a Gaussian intensity cross section, as is provided by a Gaussian laser beam.
  • the increase in intensity can also be in the form of a line, with a Bessel-shaped focus area being produced around the focus position, as can be provided by a non-diffracting beam.
  • 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.
  • first corresponding plane of a first transformation optics arrangement can be the starting plane for a further transformation with a further transformation optics arrangement.
  • second corresponding level which corresponds to the first level, is then linked by a corresponding transformation.
  • several transformation optics arrangements can also be lined up in a row.
  • a number of corresponding planes can thus also be generated by lining up or cascading transformation optics arrangements.
  • a corresponding plane can also lie in front of a corresponding component, for example a transformation optics arrangement or a deflector unit. These planes are called back planes.
  • the beam shaping can then take place, for example, before or after the deflector unit.
  • the deflector unit can then be used to deflect or hide or add the various partial laser beams, while the beam shaping or the shaping of the beam profile is achieved in the downstream Fourier optics arrangement with the beam-shaping element.
  • the deflector unit can include a first deflector, with the laser beam being coupled into the input of the first deflector and the first deflector being set up to deflect the laser beam in a first direction perpendicular to the beam propagation direction and thereby preferably impose a first angular offset on it
  • the deflector unit can additionally comprise a second deflector, wherein the laser beam, after passing through the first deflector, is coupled into the input of the second deflector with the imposed first angular offset and the second deflector is set up to deflect the laser beam in a second direction perpendicular to the direction of beam propagation , which is preferably perpendicular to the first direction, and thereby preferably impose a second angular offset in addition to the first angular offset.
  • two deflectors for example, deflections or parallel displacements of the laser beam in the x and y directions, i.e. in the x/y plane, can be generated.
  • the first deflector to split the incident laser beam into a large number of partial laser beams.
  • the multiplicity of partial laser beams then impinge on the second deflector, in which each of the multiplicity of incoming partial laser beams is split up again, for example perpendicular to the first splitting direction.
  • a matrix-shaped or rectangular multi-spot geometry of the resulting partial laser beams can be generated.
  • the incident laser beam can be split by the first deflector into five partial laser beams, which have a first angular difference from one another along the x-direction.
  • the five partial laser beams can then be split by the second deflector into ten partial laser beams, for example, with the splitting of each partial laser beam taking place at an angle to the y-direction.
  • the partial laser beams can thus have a second angular difference from one another in the y direction, for example.
  • fifty partial laser beams can be generated during the passage through the deflector unit, the partial laser beams being arranged on a grid according to an angle-to-space transformation.
  • the deflectors of the deflector unit can be acousto-optical deflectors, with at least one acousto-optical deflector comprising a phased array transducer and preferably having a diffraction efficiency of over 75% over a wide output range, preferably of at least 0.05°.
  • a phased array transducer is a device with which an acoustic wave that is introduced into the optical material and is adapted as a function of the deflection angle or the control frequency can be achieved, so that a homogeneous diffraction grating is formed in a large proportion of the volume of the optical material and so that a particularly efficient diffraction grating can be provided.
  • the acoustic wave can also be adjusted as a function of the applied frequency, which means that the Bragg angle can be very precisely approximated at a wide variety of deflection angles.
  • a high diffraction efficiency of, for example, over 70% can be achieved over a wide deflection range of, for example, 15 mrad (approximately 0.8°).
  • the diffraction efficiency of an acousto-optic deflector can be given, for example, by the fraction of the intensity in the first diffraction order compared to the incident laser intensity be. In particular, it can be achieved that a high level of laser energy is available for machining processes via the partial laser beams.
  • the focus diameter of the laser beam is the diameter of the laser beam in the processing plane.
  • the acousto-optic deflector can exhibit the above diffraction efficiency over a range of about fifteen focal diameters. Accordingly, by means of two combined acousto-optical deflectors in a range of approximately 15 ⁇ 15 focus diameters, a large number of partial laser beams can be provided with high intensity.
  • the laser beam can couple into a polarization rotating device that is set up to rotate the polarization of the laser beam.
  • the polarization direction of the laser beam can be rotated in a preferred direction by the polarization rotating device. For example, this allows the laser beam to be prepared for subsequent shaping or filtering.
  • the polarization rotation device can be designed, for example, as a lambda/2 plate.
  • the deflector unit can comprise a filter element, the filter element being arranged between the first and the second deflector and the filter element preferably being set up to filter out the zeroth diffraction order of the first deflector, and/or the filter element being arranged after the second deflector and the filter element is preferably set up to filter out parts of the beam, for example a zeroth diffraction order of the deflector unit after the second deflector, and/or wherein the deflector unit has a further transformation optics arrangement with two components, which is set up for spatial deflection and/or To transform angular deflection of the laser beam with a position-to-angle and/or an angle-to-position transformation into an angular deflection and/or a position deflection and/or to transform it back, wherein the filter element is arranged in a transformation plane of the transformation optics arrangement and the filter element is preferably set up to filter out the zeroth diffraction order.
  • an imaging from the first deflector into the second deflector must be ensured, with the filtering taking place in the angle-to-space transform of the first deflector.
  • the incident laser beam is diffracted in the deflector by the diffraction grating formed there. This also results in a zeroth order of diffraction, which runs through the deflector without deflection.
  • the zeroth order of diffraction runs behind the deflector like the incident laser beam, or with a parallel offset.
  • Around the zero diffraction order are the higher and possibly also the negative diffraction orders, for example the first diffraction order or the second diffraction order.
  • the first diffraction order has the angular offset a to the zeroth diffraction order.
  • a filter element can now be arranged in the deflector unit, for example between the first and the second deflector, in order to filter out the zeroth diffraction order.
  • the higher orders of diffraction ie the orders of diffraction from the first order of diffraction, are directed into the second deflector. Accordingly, only the deflected rays - ie the higher orders of diffraction - can finally leave the deflector unit.
  • a filter element can also be arranged behind the second deflector, with the zeroth order of diffraction of the partial laser beams and the zeroth order of diffraction of the original laser beam being filtered out in each case.
  • filtering can filter out or at least weaken these uncontrollable partial laser beams.
  • a further transformation optics arrangement with two components can also be provided in the deflector unit, which are arranged behind the second deflector, for example, in which case the filter element can then be arranged in a transformation plane of the transformation optics arrangement and can preferably be set up to filter out the zeroth diffraction order.
  • This further transformation optics arrangement is independent of the transformation optics arrangement of the device and is only assigned to the deflector unit.
  • the image behind the second deflector is split according to its spatial frequencies, or linked by an angle-to-space transformation (such as a Fourier transformation).
  • an angle-to-space transformation such as a Fourier transformation.
  • the partial laser beams of the higher diffraction order can be fanned out according to a grid, while the zero diffraction orders break with this periodicity.
  • the zeroth diffraction orders are assigned to a different location in the transformation plane than the diffraction orders that are, for example, on a grid.
  • the zeroth diffraction orders can be filtered out by a filter element in the transformation plane.
  • a filter element can also be a graduated filter, for example, so that the different spatial frequency components are attenuated to different degrees, for example in the transformation plane. This weighting of the different spatial frequency components makes it possible to influence the beam shape in the processing plane.
  • a filter element can also be designed to be reflective and direct the transmitted or reflected portion into a beam trap.
  • a filter element can also be a polarization element, which preferably imposes a locally variable polarization change on the laser beam. This encodes the aperture function in a local polarization.
  • the various components can then be filtered out of the laser beam using a polarization splitter. For example, local s-polarization then corresponds to complete transmission and local p-polarization to vanishing transmission.
  • the gradient functions can also be generated by means of intermediate states, for example by proportionate p and s polarization, with which a local 50 percent transmission at the polarization splitter is achieved, for example.
  • the laser beam then leaves the deflector unit in a precise shape and high-quality beam shaping can be achieved in the subsequent transformation optics arrangement.
  • the transformation optics arrangement can be a Fourier optics arrangement, with the front deflector plane of the deflector unit being arranged in the object-side focal plane of the first component, the image-side focal plane of the first component coinciding with the object-side focal plane of the second component, and the front deflector plane of the deflector unit is imaged in the image-side focal plane of the second component, and the laser beam can be deflected in the image-side focal plane of the second component in accordance with the deflection by the deflector unit.
  • a Fourier optics arrangement is an optical structure of a component system in which the distances between the components, the distances between the components and the object to be imaged and the distances between the components and the image plane in which the object is imaged are have a special relationship.
  • the Fourier optics arrangement can comprise at least two components, with the components preferably having the same focal length. However, the components can also have different focal lengths if, for example, an enlarging or reducing effect is to be achieved with the component arrangement.
  • the Fourier optics arrangement essentially performs an angle-to-space transformation and then a space-to-angle transformation again.
  • the positioning of the components relative to the deflector as described above results in so-called 4f optics, which makes it possible to use the front deflector plane and thus the laser beam deflected by the deflector unit, in particular possible spatial and angular deviations of the laser beam as well as the Beam profile and beam geometry to be converted into a corresponding deflector level.
  • the laser beam is deflected in the corresponding deflector plane according to the deflection by the acousto-optical deflector unit.
  • a beam-shaping element can preferably be arranged in a corresponding deflector plane or in a transformation plane or in a corresponding transformation plane, with the beam-shaping element being set up to give the laser beam a predetermined intensity distribution and/or phase distribution and/or or to impose polarization distribution.
  • a beam-shaping element is understood to mean a device which is set up to influence an incident laser beam in two spatial dimensions in one or more properties, it being set up in particular to produce a lateral phase distribution, a polarization distribution, an intensity or amplitude distribution and/or or a propagation direction of the laser beam.
  • the propagation direction can also be influenced, preferably indirectly, by influencing the phase distribution in particular.
  • the beam shaping or beam-shaping unit is arranged in front of the deflector unit, it is advantageous if the input angle distribution that the beam-shaping unit makes available to the deflector unit is as small as possible, so that an angle-dependent diffraction efficiency of the deflector is negligible or can be compensated for is.
  • the entrance aperture of the deflector unit which can be 2mm to 20mm, for example, should not represent a limitation of the beam shape.
  • a non-diffracting beam for example a Bessel-Gauss beam, can be generated in front of the deflector unit, the intensity distribution of which in the far field is, for example, a ring-shaped intensity distribution that is guided through the deflector unit. The non-diffracting beams then arise around the downstream transformation levels and can be quickly repositioned with the deflector unit.
  • beam-shaping units in front of the deflector unit are particularly suitable for influencing the beam profile.
  • a flat-top beam profile can be prepared from a Gaussian laser beam, with the modified beam then being deflected in the deflector unit.
  • the deflector unit or also downstream beam shaping can be used for splitting into partial laser beams and/or shaping. Each partial laser beam can then have a flat-top beam profile, for example.
  • Beam shapes with high accuracy requirements can benefit from additional shaping or filtering of the corresponding transformation level.
  • certain spatial frequencies can be attenuated by a corresponding filter element in the corresponding transformation level, so that the contrast in the processing level increases, for example.
  • the angle dependency of the deflection can also be compensated in this way.
  • the beam-shaping element can be designed, for example, as a diffractive optical element (DOE), a free-form surface or an axicon or a microaxicon, or contain a combination of several of these components or functionalities.
  • DOE diffractive optical element
  • a diffractive optical element is set up to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions.
  • 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 typically a specially shaped diffraction grating, with the laser beam adopting the desired beam shape as a result of the diffraction.
  • a beam splitting unit is provided, preferably a diffractive beam splitting unit in a corresponding deflector plane or in a Is arranged transformation plane or in a corresponding transformation plane and is adapted to adjust the angular displacement of the acousto-optical deflector unit.
  • the laser beam can only be deflected particularly effectively over a certain angular range.
  • a beam deflection unit preferably a galvano scanner, can preferably be arranged in a corresponding acousto-optical deflector plane or in a transformation plane or in a corresponding transformation plane and set up to deflect the laser beam.
  • a beam deflection unit can be set up to deflect the laser beam from its beam direction.
  • a beam deflection is given by a parallel offset or an angular offset of the transmitted laser beam to the original laser beam. This makes it possible to reposition the laser beam.
  • a galvanic scanner is a component in this context, whereby the laser beam can be positioned with high accuracy and repeatability using a rotatable mirror.
  • a one-dimensional galvano scanner deflects the laser beam in only one direction
  • a two-dimensional galvano scanner deflects the laser beam in two different directions, which are preferably orthogonal to one another.
  • a scanner preferably a piezo scanner, is set up to move the beam-shaping element and/or the beam splitting unit and/or the beam deflection unit perpendicular to the direction of beam propagation, with the beam deflection of the acousto-optical deflector unit and the movement of the scanner being synchronously adapted to one another are.
  • this can be advantageous if a continuous, scanning movement of the laser beam is to take place in the processing plane.
  • the points of impact of the laser beam in the processing plane can be manipulated by deflection with the acousto-optical deflector unit, while the beam shape of the introduced laser beam in the processing plane is always the same with the tracking of the beam-shaping element.
  • a piezo shifter is an electronic component that changes its thickness when a DC voltage is applied. It is thus possible by applying a voltage to move a filter element fastened to this for this purpose.
  • a beam correction element preferably an aperture, can be arranged in a corresponding processing plane.
  • An aperture or a mask are components that block certain parts of the beam and thus influence the amplitude distribution of the laser beam.
  • a diaphragm in particular an iris diaphragm, can block beam components that are distant from the beam center, while a mask can have a more complex shape in order to be able to filter out more specific beam components.
  • a rasterized beam-shaping element can be arranged in a corresponding processing plane, with each raster element preferably being an individual beam-shaping partial element.
  • a rasterized beam-shaping element has in particular a spatial division, for example a two-dimensional division. Each element of this spatial division is also called a grid element.
  • the rastered beam-shaping element can be, for example, a gradient filter and have a checkerboard-shaped gradient, or it can be a spatial light modulator.
  • a spatial light modulator can be a nanogrid or a hybrid element, for example, which can impress a defined phase distribution on the laser beam due to their inherent structure or design.
  • a light modulator can also be a spatial light modulator whose cells or pixels influence the laser beam through adjustable birefringent properties.
  • Rasterized beam-shaping elements are particularly advantageous if the beam properties of the laser beam change as a result of the selection of the raster element through which the laser beam is to be transmitted.
  • one raster element may correspond to a Gaussian beam profile while another raster element corresponds to a flat-top beam profile.
  • a tool change in laser machining processes is possible to a certain extent by means of a rastered beam-shaping element.
  • raster elements it is also possible to cover a larger scanning area with high spatial resolution on the workpiece.
  • the limited deflection range of the deflector e.g. 15mrad
  • the combination with a short focal length processing optics thus leads to a reduced effect of the raster element or the beam shape generated by the raster element on the workpiece.
  • a large area on the raster element can thus be addressed, and the local structure can be greatly reduced or implemented on the workpiece with large angular proportions.
  • Non-diffracting beam can be generated in this way from a diffracting beam or Gaussian beam.
  • Non-diffracting rays are rays commonly known as Bessel rays, or the practical realization thereof.
  • non-diffracting beams have a particularly large focal position tolerance, since the beam profile in the direction of propagation is clearly elongated compared to the lateral extension in the plane perpendicular to the direction of propagation.
  • the image is deliberately generated in a way that deviates from the mathematically ideal Fourier optics arrangement.
  • the element such as a microaxicon array
  • the object-side focal plane of the following optic can be deliberately shifted. As a result, this is not in the segmented element, but in the intermediate focus generated by the segmented element.
  • the following optics transfer this intermediate focus to the processing level. In this case, the positional deviation of the optics following the segmented element can also be more than the aforementioned 20%.
  • a control device can be provided to control the deflector unit, which is set up to effect the deflection of the incident laser beam in such a way that each pulse of the laser beam hits a different raster element of the rastered beam-shaping element or the laser beam is directed to a specific raster element or the laser beam sweeps over a plurality of raster elements or a plurality of partial laser beams are guided to a plurality of raster elements in a targeted manner.
  • the control device can provide control signals for the deflector unit.
  • the grating constant of the optical grating of the acousto-optical deflector can be defined by the period or the frequency of the control signal of the control device, so that the grating constant of the optical grating determines the diffraction angle of the laser beam.
  • the control signal can be changed by the control device, so that the way and the extent of the influencing of the beam can be controlled by the control device.
  • the strength of the formation of the diffraction grating in the optical material of the acousto-optical deflector can be adjusted via the amplitude.
  • a fast beam deflection can be realized, whereby the laser beam can be freely positioned in the working field of the deflector unit at a rate of up to 1 MHz or 10 MHz or 100 MHz.
  • a corresponding control device is therefore typically based on an FPGA (Field Programmable Gate Array) with rapidly connected memories, with processing parameters such as beam geometry, beam profile and beam deflection being able to be stored for a specific machining operation or process.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • control signal can be composed of several periodic, electronic signals of different frequencies. Due to the different frequency components of the signal, the optical grating generated by the acousto-optical deflector unit also has different or superimposed grating constants. The different lattice constants accordingly lead to a large number of possible diffraction orders.
  • the incident laser beam is thereby split into a plurality of partial laser beams, with the angular offset of the partial laser beams ultimately being given by the frequency components of the control signal.
  • a multi-spot geometry can thus be generated with the deflector unit.
  • the control signal for the deflector unit can also be an arbitrary signal, in which case an arbitrary signal can be composed of a large number of signals and/or the frequency can be varied over time.
  • an arbitrary signal can be composed of a large number of signals and/or the frequency can be varied over time.
  • complex diffraction gratings are produced, which in particular can also influence the beam profile of the laser beam or the partial laser beams.
  • the diffraction image corresponds, for example, to the Fourier transform of the grating function
  • image errors that occur or are to be expected due to the previous or further passage of the laser beam through optical components, such as astigmatism and aberrations, can be largely compensated for by appropriately selected diffraction gratings.
  • Arbitrary signals also make it possible to influence the beam deflection continuously or abruptly, so that a continuous process of the deflected laser beam or an abrupt but precise positioning of the laser beam is made possible.
  • a Arbitrary signal with increasing frequency i.e. shorter wavelength of the acoustic wave in the deflector unit, cause an increased deflection of the laser beam.
  • a sudden change in the excitation frequency can lead to a jump or a repositioning of the laser beam.
  • a multi-spot geometry can thus also be generated, with the partial laser beams of the multi-spot geometry being directed at specific mask positions.
  • processing optics are provided downstream of the transformation optics arrangement, which are set up to guide the laser beam through the beam-shaping element and/or the beam splitting unit and/or the beam deflection unit into the image-side focal plane of the processing optics, with the processing optics preferably together with the final Element of the transformation optics arrangement has a reducing effect, is particularly preferably designed with a large numerical aperture and short focal length and / or is designed as a transmissive or reflective optics.
  • the numerical aperture NA describes the ability of an optical element to focus light.
  • the numerical aperture results from the opening angle of the lens and the refractive index of the material between the lens and the focal point.
  • a maximum numerical aperture is reached when the opening angle is 90° between the marginal ray and the optical axis.
  • the maximum resolution or the minimum structure size that can be imaged through the lens is then directly proportional to the wavelength of the laser light divided by the numerical aperture.
  • a high NA lens is a lens that has a large numerical aperture, i.e. a large opening angle.
  • microstructures can be introduced into the material with high resolution using a high-NA lens.
  • the numerical aperture can be greater than 0.1, in particular greater than 0.2.
  • the lens is not a high-NA lens.
  • both long focal length and short focal length optics can be used.
  • An optical system is referred to as transmissive optics, in which the light is influenced as it passes through an optical medium.
  • a lens is a transmissive optic.
  • the optics can also be designed as reflective optics. Reflective optics affect beam propagation without the light having to propagate through an optical medium. The influencing is realized in particular by a mirror system.
  • a telescope mirror is a reflective optic.
  • a Schwarzschild lens is also a reflective lens.
  • the processing optics form a final angle-to-space transformation, with the processing plane corresponding to a transformation plane.
  • all beam-shaping, beam-dividing or beam-deflecting elements are transferred to the processing level according to their desired effect.
  • a feed device is preferably provided which is set up to receive a material to be processed, to arrange it in the image-side focal plane of the processing optics and to move the material relative to the laser beam, as a result of which the laser beam is guided over the material.
  • the feed device can, for example, have a fastening device on which the material can be fixed.
  • a fixation can be accomplished, for example, by gluing or clamping.
  • a fixation can also work via a negative pressure using a suction device.
  • the feed device can be movable in at least two spatial axes.
  • the feed device includes a further translation axis, in particular in the case of curved or tilted workpiece surfaces, further rotation or tilting elements are used to position the laser beam relative to the workpiece.
  • the feed device can therefore also be an XY table or an XYZ table.
  • a feed device can be moved or shifted in an automated or motorized manner with a feed.
  • the feed here is a movement with a feed rate, the feed taking place along a feed trajectory.
  • the laser beam is guided over the material along the feed trajectory, which makes it possible to process the material at the locations of the feed trajectory and, if necessary, also to control the angle of incidence of the laser radiation to the workpiece.
  • the material in the image-side focal plane of the processing optics, it is possible to guide the laser beam guided through the beam-shaping element onto or into the material.
  • the laser energy is introduced into the material according to the impressed beam shape, which means that the material is heated, for example, or goes directly into a plasma state. This can lead to a modification of the material and, for example, to a modification of the glass network structure in the case of a glass. If the input of light is sufficiently high, however, such an energy deposition can also lead to an ablation and can therefore be used in a drilling process, for example in a percussion drilling process.
  • the feed device can be connected to a control device for the exchange of control signals, and the control device can be set up to adjust the position of the feed device relative to the activation of the acousto-optical deflector unit.
  • the control device is the control device that also controls the acousto-optical deflector unit or is at least connected to it in terms of data technology.
  • a first beam shape can be introduced into a first area during a slow translation by the feed device, while after a certain period of time the first area transitions into the second area and a second beam shape is to be introduced there.
  • System-wide coordination of the material processing is possible by coupling the feed device and the acousto-optical deflector unit to the control device.
  • control device can compensate or equalize the beam offset by one between two pulses in the focal plane of the processing optics with the feed device or the acousto-optical deflector unit.
  • the spatial distance between the introduction of successive laser pulses, which are emitted at a fixed time interval can change as a result of a varying feed rate along the feed trajectory.
  • a varying feed speed occurs in the case of feed or deflection units subject to inertia, in particular when there are changes in direction, for example in curves or corners of the feed trajectory. In these areas, it can therefore be useful to compensate for the changes in speed of the feed device with a corresponding control of the acousto-optical deflector unit.
  • the feed device has at least one axis encoder, the control device being set up to read out the axis encoder position, the laser being set up to transmit to the control device the basic frequency for the controlling cycle for deflecting the laser beam through the acousto-optical deflector unit and for reading out the axis encoder position, the control device being set up to calculate a position error for the subsequent pulse in real time from the current axis encoder position, the control device correcting the position error by adapting the control signal of the acousto-optical deflector unit.
  • the current location can be processed in the control device via the axis encoder positions that have been read out. Since the basic frequency of the laser provides the clock and thus a common time base, the feed, the pulse output and the beam deflection can be coordinated or synchronized via the control device.
  • a position error for the subsequent incoming pulse can be calculated in real time. This error can then be compensated for with the acousto-optical deflector unit, provided that the error lies within the processing area accessible to the acousto-optical deflector unit. Neither a complex model nor large amounts of memory are required.
  • the reduction in the repetition frequency of the pulses can be counteracted in the case of a slow advance.
  • maintaining the repetition frequency of the laser has a positive effect on its energy stability.
  • Figure 1 shows a schematic structure of the device for influencing a beam
  • FIG. 2 A, B shows a schematic representation of the influencing of the beam by an acousto-optical deflector and an acousto-optical deflector unit;
  • FIG. 3 A, B shows a schematic representation of the Fourier optics arrangement
  • FIG. 4 A, B shows a possibility for realizing a filter and a filter element
  • Figure 5 A, B, C, D is a schematic representation of the Fourier optics arrangement with beam-shaping
  • FIG. 6 A, B, C, D different rastered beam-shaping elements
  • FIG. 7 A, B, C, D the schematic functioning of an acousto-optical deflector unit in
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the processing optics
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the beam influencing system
  • FIG. 10 A, B shows a schematic representation of the processing of a material along a feed trajectory with and without compensation of the feed speed by the deflector unit.
  • a device 1 for influencing the beam of a laser beam 20 is shown schematically in FIG.
  • a schematically illustrated ultra-short pulse laser 2 is provided here to generate a laser beam 20 .
  • the laser beam 20 is directed through a deflector unit 3 in which the laser beam 20 is deflected.
  • the deflector unit 3 is connected to a control device 5 , with the control device 5 being able to send electronic control signals to the deflector unit 3 .
  • the deflector unit 3 can include acousto-optical deflectors.
  • the electronic control signals in the optical material of the deflector unit 3 generate acoustic waves which lead to a modulation of the refractive index of the optical material.
  • the modulation of the refractive index results in optical gratings on which a laser beam 20 passing through can be diffracted.
  • the resulting diffraction pattern is specific to the respective design of the acoustic wave. It is thus possible to influence the diffraction pattern via the acoustic waves.
  • the laser beam 20 deflected by the deflector unit 3 is then guided through a transformation optics arrangement 4, in which filtering, shaping, beam manipulation and further beam processing can take place, and a processing optics 9 into a focal plane 90, with the laser beam 20 in the focal plane 90 corresponding to the Deflection influenced by the deflector unit 3 and is deflected or repositioned in particular with regard to the angle.
  • An acousto-optical deflector 30 of the deflector unit 3 is shown as an example in FIG. 2A.
  • the laser beam 20 is coupled into the input of the acousto-optical deflector 30 .
  • coupling refers to a simple transmission through an entry opening 300 of the acousto-optical deflector 30.
  • the laser beam 20 is partially transmitted through the acousto-optical deflector 30 without being deflected by the refractive index modulation.
  • the undeflected beam portion is called the zeroth diffraction order 302 of the acousto-optic deflector 30 .
  • at least the first diffraction order 304 of the acousto-optical deflector 30 also exists.
  • the first diffraction order 304 encloses the angle ⁇ with the zeroth diffraction order 302 .
  • the angle a can be controlled here by the electronic control signals of the control device 5 and thus via the acoustic wave structure generated in the acousto-optical deflector 30 . For example, the angle a can be reduced or increased.
  • the acousto-optical deflector 30 is taking into account the parameters of the Laser beam 20 designed and aligned relative to the laser beam 20 that for the desired angular range a of the first diffraction order 304 there is a combination of maximum diffraction efficiency and minimum beam deformation that is optimal for the application.
  • the acousto-optic deflector 30 may further comprise a phased array transducer, whereby a diffraction efficiency of over 5% to over 90% can be achieved over a wide deflection range while at the same time achieving negligible beam deformation.
  • the deflection range can be 15 times the angle relative to the opening angle of the laser beam 20 and correspondingly have a range of approximately 15 focus diameters of the deflected laser beam 20 after an angle-location transformation.
  • the acousto-optic deflector 30 causes beam deflection along the y-axis. In order to bring about a beam deflection in the x-direction, the acousto-optical deflector 30 can be rotated by 90°, for example.
  • FIG. 2B A combination of two acousto-optical deflectors 30, 32 to form a deflector unit 3 is shown in FIG. 2B.
  • the first acousto-optical deflector 30 produces a beam deflection in the y-direction, as in FIG. 2A.
  • the first diffraction order 304 of the first acousto-optical deflector 30 then hits the entrance opening 320 of the second acousto-optical deflector 32.
  • the direction of sound propagation of the second acousto-optical deflector 32 is rotated in this example by almost 90° compared to that of the first acousto-optical deflector 30 in such a way that the deflection is the second acousto-optical deflector 32 in the y-direction. Furthermore, the sound propagation direction of the second acousto-optical deflector 32 is aligned with the beams of the first diffraction order 304 deflected by the acousto-optical deflector 30 in such a way that high diffraction efficiency and low beam deformation of the first diffraction order 324 by the angle ⁇ can be achieved.
  • the angle ⁇ relates to the angle to the zeroth diffraction order 322 of the second deflector 32, which is formed by the non-diffracted beam components from the first diffraction order 304 of the first deflector 30.
  • the first diffraction order 324 of the second acousto-optical deflector 32 has a total angular offset ⁇ to the incident laser beam in the y-direction and an angular offset ⁇ to the incident laser beam 20 in the x-direction.
  • the deflections of the laser beam perpendicular to the original beam propagation direction are thus influenced independently of one another via the two acousto-optical deflectors 30, 32.
  • the image can also be rotated by 90° between the acousto-optical deflectors.
  • the deflection by the first acousto-optical deflector can also take place in the x-direction at the angle a and the y-direction can be transformed by means of image rotation before this first diffraction order 304 of the first acousto-optical deflector 30 is coupled into the second acousto-optical deflector 32 in order to generate a first Provide diffraction order 324 with the angle a in the x-direction.
  • acousto-optical deflectors have a diffraction efficiency that is dependent on the input polarization.
  • a rotation of the polarization between the two acousto-optical deflectors 30 and 32 is appropriate, for example by means of a polarization rotator or a half-wave delay element aligned at 45° to the polarization.
  • the image rotation is preferably performed without polarization rotation.
  • a multiplicity of partial laser beams 200 can also be generated by the acousto-optical deflectors 30 and 32 in FIGS. 2A, 2B, which can be represented in particular by the dashed arrows. Accordingly, it is possible with the first acousto-optical deflector 30 to generate, for example, three partial laser beams, while these three partial laser beams are then split again into three partial laser beams each via the second acousto-optical deflector 32, resulting in a total of nine partial laser beams (see Figure 4B).
  • FIG. 3A shows a transformation optics arrangement 4 which comprises a first component 40 and a second component 42 .
  • the first component 40 has a first focal length 400
  • the second component 42 has a second focal length 420 .
  • the two focal lengths 400, 420 are preferably of the same size.
  • the focal plane of the transformation optics arrangement 4 on the image side is also called the corresponding deflector plane E2.
  • the front deflector plane E1 is in the object-side focal plane of the first component 40.
  • the image-side focal plane of the first component 40 coincides with the object-side focal plane of the second component 42, so that the transformation optics arrangement 4 is a Fourier optics arrangement. Accordingly, the distance of the first component 40 from the second component 42 is the sum of the two focal lengths 400, 420.
  • the plane in which the two focal planes coincide is the so-called transformation plane F1.
  • the object ie the affected laser beam 20
  • the deflector unit 3 is split up by the deflector unit 3 according to its spatial frequencies.
  • filtering and further beam shaping of the beams can take place in the transformation plane F1.
  • the transformation optics arrangement 4 is arranged downstream of the deflector unit 3 .
  • the downstream transformation optics arrangement 4 can be used to shape the laser beam that is deflected by the deflector unit 3 and possibly processed by filtering the zeroth diffraction order.
  • the transverse beam profile can be shaped, such as a rectangle or ring focus, by a beam-shaping element 6, e.g., a DOE, in plane E2.
  • FIG. 3A the splitting of the beams in front of the component 40 is shown particularly large to illustrate the invention.
  • the beams of the zeroth and first diffraction order run almost parallel, so that the two diffraction orders can only be separated by splitting them into the spatial frequencies in the transformation plane F1.
  • the deflector unit 3 itself can optionally have a filter element 34 .
  • the filter element 34 can be fitted behind the first deflector 30 so that, for example, the zeroth diffraction order is filtered out between the first and second deflectors.
  • the filter element 34 also includes optical components in order to image the deflector 30 into the deflector 32 and thus enable filtering. Such filtering can be implemented by an iris diaphragm, for example.
  • the entrance opening of the deflector can also serve as an aperture, provided that the splitting of nu liter and the first diffraction order of the first deflector 30 at the entrance opening 320 generates a larger spatial displacement than can be coupled in through the entrance opening, as already shown schematically in FIG. 2B.
  • a filter element 34 can also be fitted behind the second acousto-optical deflector 32, preferably in the transformation plane F1.
  • the filter element 34 can be an iris diaphragm, for example, and can filter out different orders of diffraction or fanned-out partial laser beams from the beam path.
  • the filter functionality can be integrated in a beam influencing component arranged in the area of the transformation plane F1.
  • the corresponding deflector plane E2 is transferred to the focal plane 90 on the image side with a cascaded second transformation optics arrangement 4′ and processing optics 9 .
  • the processing optics 9 can be a telescope, for example, or can form a telescope with the final component of the transformation optics arrangement and thus in particular can comprise a plurality of lenses or mirrors.
  • the telescope can have a reducing effect, so that the beam shape displayed in the deflector plane is reduced in the processing plane.
  • a lens with a large numerical aperture can be used for this purpose, with the large numerical aperture representing a large opening angle of the lens. This opening angle is shown schematically in FIG. 3B by the obtusely tapering angle behind the processing optics 9 .
  • FIG. 4A shows a further possibility for implementing filtering.
  • the deflector unit 3 itself has a further transformation optics arrangement 4'.
  • the transformation optics arrangement 4' can also be a Fourier optics arrangement.
  • the transformation optics arrangement 4' can be attached in addition to the transformation optics arrangement 4 shown in FIG. Unit 3 can split the beam splitting by the combined deflectors 30, 32 into their spatial frequency components and guide them in the transformation plane FT.
  • the spatial frequency components of the laser beam can be filtered and weighted with a filter element 34 in the transformation plane FT.
  • a filter element 34 can, for example, filter out certain spatial frequency components or weaken them so that, for example, a sharpening or an increase in contrast of the image in the processing plane is achieved.
  • the rough frequencies are reassembled into an image that corresponds to the filtered variant of the image at the output of the second acousto-optical deflector 32. This image is then made available in the front deflector plane E1.
  • a corresponding filter element 34 is shown in FIG. 4B.
  • all of the partial laser beams 200 into which the laser beam 20 is split by the deflectors 30, 32 have a regular spatial offset to one another, which provides high-frequency and low-frequency spatial frequency components in the transformation level.
  • the low-frequency spatial components are arranged approximately at the origin of the coordinate system, while the high-frequency components generate signals at a great distance from the origin of the coordinate system.
  • the filter element 34 can have transparent partial areas 342 as well as opaque partial areas 340 . This makes it possible to filter out certain spatial frequency components from the transformation level. For example, the zeroth diffraction order can also be filtered out in this way.
  • FIG. 5A shows a further possibility of realizing the device with a Fourier optics arrangement 4 .
  • the downstream transformation optics arrangement 4 can extend behind the front deflector plane E1.
  • the front deflector plane E1 is transferred into the corresponding front deflector plane E2 by the component arrangement, for example.
  • the transformation optics arrangement 4 converts the transformation plane F1 into the corresponding transformation plane F2.
  • the corresponding deflector plane E2 is further converted by the transformation optics arrangement 4 into the corresponding deflector plane E3, etc.
  • the transformation optics arrangement 4 can also be composed of a plurality of transformation optics arrangements, in particular Fourier optics arrangements, and an Nf optics can thus be produced, with N being a natural even number. It is only relevant that the last created plane coincides with the focal plane of the added component. In this way, any number of image layers and transformation layers can be created, in each of which a filter element can be inserted, for example.
  • a beam-shaping element 6 is placed in the corresponding deflector plane E2.
  • a beam-shaping element 6 can be a diffractive optical element, for example, which can convert a Gaussian beam profile in FIG. 5B into a flat-top beam profile in FIG. 5C, for example.
  • the laser beam 20 has a Gaussian beam profile in front of the corresponding deflector plane E2, which means that the beam cross section perpendicular to the beam propagation direction of the laser beam 20 is a Gaussian bell curve, as shown schematically in Figure 5B as a lateral beam cross section.
  • a flat-top beam profile is impressed on the laser beam 20.
  • a flat-top beam profile has an intensity of the same magnitude over the beam cross-section and drops very quickly to a vanishingly low intensity at the edge of the beam, as shown schematically as a lateral beam cross-section in FIG. 5C.
  • a flat-top beam profile has the advantage that a material can be processed homogeneously in one processing level.
  • a flat-top beam profile has the advantage that more complicated beam shapes can also be formed from the flat-top beam profile, for example by further filtering in a corresponding transformation plane or a corresponding deflector plane.
  • a beam splitting unit 7 can be introduced in FIG. 5A in the corresponding deflector plane E2 or another corresponding deflector plane.
  • a beam deflection unit 9 can also be attached in a corresponding deflector plane, for example plane E3, preferably a so-called galvano scanner, which deflects the laser beam.
  • a further offset of the beams is typically generated by a galvanic scanner, so that, for example, the specified angular offset can be increased.
  • FIG. 5D shows the rear planes of the deflector unit 3, the identifiers of which are provided with a negative sign.
  • Beam-shaping elements 6 , 7 , 9 can also be introduced in the rear transformation plane or deflector planes in order to effect beam shaping before the laser beam is deflected by the deflector unit 3 .
  • FIGS. 6A to 6C Various rastered beam-shaping elements 6 are shown in FIGS. 6A to 6C, whereas the associated optical structure is shown in FIG. 6D.
  • the laser beam 20 or a partial laser beam 200 can be directed into a specific grid element of the gridded beam-shaping element 6 .
  • FIG. 6A shows that the partial laser beam 200 is guided into three different raster elements in succession, so that the partial laser beams are influenced according to the raster elements.
  • a beam geometry can be generated in which three partial beams 200 pass through the three different raster elements shown at the same time.
  • the raster elements are arranged in or close to transformation planes, in contrast to classic beam-shaping elements.
  • a beam-shaping element 6 is shown in FIG.
  • this grid can be given by the pixel cells of a spatial light modulator.
  • rasterization can be performed by grouping pixel cells and pixel areas.
  • the phase, intensity or polarization component of the laser beam 20 can be influenced by each raster element or each pixel. It is thus possible for the beam profile of the laser beam 20 to be manipulated by driving the various pixel elements. For example, such a manipulation can be used to generate a laser beam with a flat-top beam profile from a Gaussian beam profile.
  • a rasterized beam-shaping element 6 is shown in FIG. 6C, with each raster element being its own phase mask. If the laser beam 20 falls through this phase mask, the phase front of the laser beam 20 can be influenced and thus both the direction of propagation and the beam profile, as well as the phase front in general.
  • all the raster elements can be adjusted individually in the shown FIGS. 6A to 6C, so that each raster element brings about an individual beam shaping.
  • one raster element can make a flat-top beam profile from a Gaussian beam profile, while another raster element imposes an elliptical beam shape, or merely rotates the polarization by a certain angle, or merely attenuates the laser beam 20, or merely deflects it, etc.
  • the raster elements of the beam-shaping element 6, as in the case of the spatial light modulator can also be controlled jointly or individually.
  • FIG. 6D shows the associated optical structure from FIG. 5A, with the beam-shaping element 6 here being arranged in the plane F2, but alternatively it can also be arranged in the plane F1.
  • FIGS. 7A to 7D show how the periodicity of the electronic control signal of the control device determines the deflection of the incident laser beam 20 into an acousto-optical deflector 30,32.
  • the acoustic wave in the optical material of the acousto-optical deflector 30, 32 is shown as a representative of the acousto-optical deflector 30, 32, which has a periodicity which has the frequency of the electronic control signal.
  • An acoustic wave in an acousto-optic deflector 30, 32 is shown in FIG. 7A.
  • the acousto-optical deflector is a so-called traveling wave modulator.
  • the acoustic wave has a very small periodicity, or a high spatial frequency.
  • the incident laser beam 20 is diffracted at the resulting optical grating, with the zeroth diffraction order being removed from the beam path (indicated by a cross) by an aperture device (not shown).
  • the partial beam 200 which is diffracted away from the zeroth diffraction order at a diffraction angle ⁇ , remains in the beam path.
  • the partial beam 200 then (after passing through an optical component that is not shown) strikes the rasterized beam-shaping element 6 in the transformation plane, with the partial ray 200 being directed to a specific raster element becomes.
  • FIG. 7B shows the same structure as FIG. 7A, but the periodicity of the optical grating is significantly larger, as a result of which the spatial frequencies are smaller.
  • the applied diffraction angle a is therefore significantly smaller in comparison to FIG. 7A, as a result of which the partial beam 200 runs closer to the zeroth diffraction order. Accordingly, the partial beam 200 is directed onto a different specific raster element than in FIG. 7A.
  • the acoustic wave that produces the optical grating is propagated from left to right as the laser beam 20 impinges on the grating.
  • the distances in the optical grating for the points of incidence of the laser beam become smaller with increasing time, which means that the periodicity of the optical grating decreases and the spatial frequencies thus increase.
  • the distance variation of the optical grating takes place continuously, for example, so that the partial beam is shifted over the rastered beam-shaping element 6, with the partial beam sweeping over several raster elements.
  • a discrete control of the raster elements can also be achieved by matching the laser pulses with the wave field, see below. It should be noted that when ultrashort laser pulses are used, the diffraction structure can be regarded as constant in time for the propagation time of the pulse through the deflector.
  • FIG. 7D shows the same device as in FIGS. 7A to 7C, with the acoustic wave now not being continuously varied in its periodicity, but instead jumping from a very small periodicity to a very large periodicity.
  • This can be achieved, for example, by the control device 5 suddenly applying a control signal with a different frequency to the acousto-optical deflector 30 , 32 .
  • the variation of the periodicity occurs suddenly for the incident laser beam 20 on the optical grating, so that the partial beam 200 changes from one raster element to one other grid element jumps.
  • the raster elements lying between the start and destination raster elements are not swept over.
  • the frequency change can be synchronized with the pulsed laser, so that the frequency change in the acousto-optical deflector 30, 32 takes place precisely when no laser pulse is emitted by the ultra-short pulse laser.
  • a longitudinal acoustic wave in quartz typically has a speed of 5700 m/s.
  • the acoustic field has an extension of 3-5mm, so a change of the entire acoustic field is accomplished in less than 1 ps (that's how long it takes for the acoustic field to propagate 5mm).
  • a change in frequency within the acoustic field is accomplished within significantly less than 1 ms, for example in less than 100 ns.
  • the laser pulses and the acoustic fields must therefore preferably be synchronized to one another with an accuracy of less than 20 ns.
  • the frequencies for operating the acousto-optical deflector unit are in the range from 1 MHz to 500 MHz, with the switching times of the frequencies typically being less than 500 ns at 200 MHz.
  • the repetition rates of the laser are typically in the range of less than 100MHz.
  • FIG. 9 A further embodiment of the device 1 is shown in FIG. 9, the device 1 having a feed device 10 on which a material 11 to be processed can be fastened.
  • the feed device 10 can be used to bring the material into the image-side focal plane of the processing optics, so that the laser beams that are influenced by the optical system can be introduced into the material 11 .
  • the material 11 can be processed in accordance with the laser beams 20 or the laser beam geometry.
  • the feed device 10 can move the material 11 held on it relative to the laser beam, as a result of which the laser beam is guided over the material.
  • the feed device can be guided along a specific feed trajectory with a feed so that the laser energy is introduced into the material along this feed trajectory.
  • the feed device 10 can be connected to the control device 5 so that the control device 5 and the feed device 10 can exchange control signals.
  • this allows the feed trajectory to be traversed, while the laser beams can be deflected synchronously with the acousto-optical deflector unit 3, can be guided through beam-shaping elements 6, 7, 8 and the laser beams manipulated in this way can be imaged in the material 11 in order to to achieve processing of the material 11 in this way.
  • the laser 2 can be a pulsed laser, for example, which has a basic frequency, the so-called seed frequency.
  • the seed frequency can be forwarded to the control device 5, as a result of which a common time base can be made available in the entire device 1.
  • the control device 5 is now able to coordinate the various processes or process steps in the individual dynamically assignable sub-units of the device 1 .
  • this makes it possible to compensate for the beam offset by a relative movement between workpiece 11 and processing optics 9 between two pulses in the focal plane of the processing optics and then, preferably between two consecutive pulses, to reposition it on the workpiece.
  • a predetermined beam offset between two laser pulses can also be implemented in connection with inertia-loaded feed units. Due to inertia, for example, the distance between the points of impact in the material 11 of the laser pulses can change as a function of the feed rate, as shown in FIG. 10A. This behavior is particularly problematic in curves or corners of the feed trajectory, where the feed rate is typically reduced using feed devices subjected to inertia. With a fixed repetition frequency of the pulsed laser, the distance between the laser pulses is therefore varied, which can lead to inhomogeneous processing of the material 11.
  • the feed rate variations can be compensated for with the deflector unit 3, as shown in Figure 10 B, so that laser pulses penetrate the material 11 can be brought in. As a result, significantly more uniform processing is possible; in particular, this avoids an unwanted overlapping of the pulses and overheating of the material 11.
  • the feed device 10 can have at least one axis encoder 100, the axis encoder 100 being connected to the control device 5. From the axis encoder 100, the control device 5 can read the axis encoder position, which is correlated with the current position or alignment of the feed device 10. In particular, the axis encoder position can be read synchronously with the basic pulse frequency of the laser 2.
  • the control device 5 can calculate a corresponding position error and compensate for it by controlling the deflector unit 3 by repositioning the laser beam. Accordingly, the position error of the feed device 10 is compensated for by adapting the control signal to the deflector unit 3 .
  • the superimposed inertia-free beam positioning with the deflector unit 3 can thus avoid the variation of the pulse frequency of the pulsed laser 2 and thus optimize the material throughput.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Beeinflussung eines Laserstrahls (20) eines Ultrakurzpulslasers (2), umfassend eine pulsgenaue Deflektor-Einheit (3), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) in mindestens einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken, wobei eine Transformationsoptikanordnung (4) mit mindestens zwei Komponenten (40, 42), die der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) nachgelagert ist, die dazu eingerichtet ist eine Ortsablenkung und/oder Winkelablenkung des Laserstrahls (20) durch die pulsgenaue Deflektor-Einheit mit einer Orts-zu-Winkel und/oder einer Winkel-zu-Orts-Transformation in eine Winkelablenkung und/oder eine Ortsablenkung zu transformieren und/oder zurück zu transformieren, und eine Bearbeitungsoptik (9), die der Transformationsoptikanordnung nachgelagert ist und dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (20) in die bildseitige Brennebene (90) der Bearbeitungsoptik (9) zu führen.

Description

Vorrichtung zur Strahlbeeinflussung eines Laserstrahls
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlbeeinflussung eines Laserstrahls, insbesondere zur Verwendung mit einem Ultrakurzpulslaser mit höheren mittleren Leistungen.
Stand der Technik
Für die Bearbeitung von Materialien können Ultrakurzpulslaser eingesetzt werden, bei denen die in das zu bearbeitende Material eingebrachte Laserenergie die gewünschte Materialbearbeitung bewirkt. Der Laserstrahl und das Material werden dabei relativ zueinander mit einem Vorschub entlang einer Vorschubtrajektorie bewegt, wobei der Ultrakurzpulslaser Laserpulse abgibt, die dann an verschiedenen Punkten der Vorschubtrajektorie in das Material eingebracht werden. Hierbei ist die Pulsfrequenz der Laserpulse oft fix vorgegeben oder nur eingeschränkt zu ändern, sodass bei einer Variation der Bewegungsgeschwindigkeit, wie beispielsweise in Verbindung mit trägheitsaufweisenden Bewegungssystemen einer plötzlichen Richtungsänderung, der räumliche Abstand der Laserpulse entlang der Vorschubtrajektorie in dem Material variiert. Insbesondere kann es bei solchen Aufbauten vorkommen, dass Laserpulse im zu bearbeitenden Material räumlich überlappen, sodass das Material inhomogen erhitzt wird, was sich nachteilig auf die Materialeigenschaften des bearbeiteten Materials und auf den Bearbeitungsprozess selbst auswirken kann.
Für das Einsetzen hoher mittlerer Leistungen eines Ultrakurzpulslasers wird demnach eine erweiterte Systemtechnik benötigt, die erweiterte Möglichkeiten hinsichtlich des räumlichen Abstandes aufeinanderfolgender Laserpulse auf oder im Werkstück bietet.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Strahlbeeinflussung eines Laserstrahls bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Strahlbeeinflussung eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers, umfassend eine pulsgenaue Deflektor-Einheit, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in mindestens einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken, vorgeschlagen, wobei eine Transformationsoptikanordnung mit mindestens zwei Komponenten, die der pulsgenauen Deflektor-Einheit nachgelagert ist, die dazu eingerichtet ist eine Ortsablenkung und/oder Winkelablenkung des Laserstrahls durch die pulsgenaue Deflektor-Einheit mit einer Orts- zu-Winkel und/oder einer Winkel-zu-Orts-Transformation in eine Winkelablenkung und/oder eine Ortsablenkung zu transformieren und/oder zurück zu transformieren, und eine Bearbeitungsoptik, die der Transformationsoptikanordnung nachgelagert ist und dazu eingerichtet ist den Laserstrahl in die bildseitige Brennebene der Bearbeitungsoptik zu führen.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei ultrakurze Laserpulse zur Verfügung. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt und insbesondere zwischen 10 Pikosekunden und 100 Femtosekunden liegt. Der Laser kann aber auch Bursts aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse in einem zeitlichen Abstand von weniger als 100ns innerhalb eines Zeitraums von weniger als 10 Mikrosekunden umfasst. Als ultrakurzer Laserpuls wird auch ein zeitlich geformter Puls betrachtet, der eine nennenswerte Änderung der Amplitude, beispielsweise von mehr als 50%, innerhalb eines Bereichs zwischen 50 und 5000 Femtosekunden aufweist.
Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich dabei in der Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch sie ausgebildeten Laserstrahls.
Eine pulsgenaue Deflektor-Einheit ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl in mindestens einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken. Eine Strahlablenkung kann in der Beeinflussung der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bestehen, wobei insbesondere der einfallende Laserstrahl parallel zu seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung verschoben werden kann, also dem Laserstrahl ein räumlicher Parallelversatz aufgeprägt werden kann. Eine Strahlablenkung kann aber auch darin bestehen, dem Laserstrahl einen Winkelversatz aufzuprägen, so dass sich die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls durch die Strahlbeeinflussung um einen Winkel ändert. Eine pulsgenaue Deflektor-Einheit umfasst hierbei einen oder mehrere pulsgenaue Deflektoren. Ein Deflektor ist pulsgenau, wenn es möglich ist jeden Laserpuls des Ultrakurzpulslasers individuell abzulenken. Hierzu kann die Arbeitsfrequenz des pulsgenauen Deflektors beispielsweise mit einer Grundfrequenz des Lasers synchronisiert werden, so dass die Arbeitsfrequenz des pulsgenauen Deflektors mindestens der Repetitionsfrequenz des Ultrakurzpulslasers entspricht. Im folgenden Text wird lediglich von Deflektoren gesprochen, wobei immer ein pulsgenauer Deflektor oder eine pulsgenaue Deflektor-Einheit gemeint ist.
Ein Deflektor kann beispielsweise ein mikroelektronisches mechanisches Element sein oder ein elektrooptischer Deflektor oder ein akustooptischer Deflektor sein. Im Folgenden wird die Funktionsweise eine akustooptischen Deflektors beschrieben.
Bei einem akustooptischen Deflektor wird beispielsweise über eine Wechselspannung an einem Piezokristall in einem optisch angrenzenden Material eine akustische Welle erzeugt, die den Brechungsindex des optischen Materials periodisch moduliert. Die Welle kann hierbei durch das optische Material propagieren, beispielsweise als propagierende Welle oder als Wellenpaketen, oder als stehende Welle ausgebildet sein. Durch die periodische Modulation des Brechungsindex wird hierbei ein Beugungsgitter für einen einfallenden Laserstrahl realisiert. Insbesondere entspricht das Beugungsbild, welches sich für den Laserstrahl ergibt, der transformierten Gitterfunktion, beispielsweise und bevorzugt der Fourier-transformierten Gitterfunktion.
Ein einfallender Laserstrahl wird somit an dem Beugungsgitter gebeugt und dadurch zumindest teilweise unter einem Winkel a zu seiner ursprünglichen Strahlausbreitungsrichtung abgelenkt. Insbesondere wird der Laserstrahl durch den Winkelversatz in eine Richtung senkrecht zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls abgelenkt. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters und somit der Winkel a hängen dabei unter anderem von der Wellenlänge beziehungsweise der Periodizität der stehenden Gitterschwingung ab beziehungsweise von der Frequenz der angelegten Wechselspannung. Beispielsweise wird durch eine akustische Welle mit einer kleinen Wellenlänge ein großer Winkelversatz für die erste Beugungsordnung erzielt.
Eine Transformationsoptikanordnung ist ein optischer Aufbau eines Komponentensystems welches mindestens zwei Komponenten umfasst. Eine Komponente kann hierbei insbesondere eine optische Komponente mit abbildenden Eigenschaften sein, wie beispielsweise mit fokussierender oder kollimierender Wirkung. Hierzu zählen unter anderem abbildende beziehungsweise gekrümmte Spiegel, strahlformende Elemente, diffraktive optische Elemente, Linsen wie beispielsweise Sammellinsen oder Streulinsen, Fresnel-Zonenplatten sowie weitere Freiformkomponenten.
Dem Laserstrahl wird beim Durchgang durch die Deflektor-Einheit eine Orts- und/oder Winkelablenkung in der vorderen Deflektoren-Ebene aufgeprägt. Die vordere Deflektor-Ebene kann je nach Bauform des Deflektors innerhalb oder außerhalb der äußeren mechanischen Ausgestaltung des Deflektors liegen. Dementsprechend fällt die vordere Deflektor-Ebene nicht zwangsläufig mit dem mechanischen Ende der Deflektor-Einheit zusammen.
In einem ersten Abstand zur vorderen Deflektoren-Ebene kann die erste Komponente der Transformationsoptikanordnung angeordnet sein. Beispielsweise kann die vordere Deflektor-Ebene im objektseitigen Brennpunkt der ersten Komponente stehen oder auch zwischen objektseitigem Brennpunkt und der ersten Komponente selbst stehen. Die erste Komponente erzeugt eine Transformation der Orts- und/oder Winkelablenkung der vorderen Deflektor-Ebene in eine Winkel- und/oder Ortsablenkung in der ersten Transformationsebene. Hierbei wird insbesondere eine Ortablenkung in eine Winkelablenkung, beziehungsweise eine Winkelablenkung in eine Ortsablenkung transformiert. Dadurch kann ein Teil des Laserstrahls, beispielsweise ein besonders divergenter Teil des Laserstrahls, absepariert werden und beispielsweise, wie weiter unten gezeigt, aus dem Strahlengang herausgefiltert werden.
Die zweite Komponente kann in einem zweiten Abstand zur ersten Komponente angeordnet sein, wobei die zweite Komponente eine Rücktransformation oder eine weitgehende Rücktransformation, insbesondere eine Rücktransformation aus der ersten gefilterten Transformationsebene in die sogenannte korrespondierende Deflektor-Ebene erzeugt. Die korrespondierende Deflektor-Ebene ist hierbei zum letzten Element der Transformationsoptikanordnung in einem dritten Abstand beabstandet. Beispielsweise kann die korrespondierende Deflektor-Ebene zwischen dem letzten Element und der bildseitigen Brennebene des Elements oder in der bildseitigen Brennebene selbst angeordnet sein. Indem die zweite Komponente eine Rücktransformation der gefilterten Transformationsebene erzeugt, entsteht in der korrespondierenden Deflektor-Ebene ein bereinigter Laserstrahl, der beispielsweise keine divergierenden Strahlteile mehr enthält.
Sofern die oben beschrieben Transformationen Fourier-Transformationen sind, wird die Transformationsebene hierin auch Fourier-Ebene genannt.
Wie oben beschrieben ist die Transformationsoptikanordnung zu der Deflektor-Einheit nachgelagert angeordnet beziehungsweise von dieser getrennt vorgesehen. Damit kann erreicht werden, dass der in der Deflektor-Einheit abgelenkte Laserstrahl einer nachgelagerten Strahlformung unterzogen werden kann. Dies ist insbesondere daher von Bedeutung, weil die Deflektor-Einheit üblicherweise nur eine kleine Akzeptanz an Positionsabweichungen und Strahlformabweichungen und insbesondere Winkelabweichungen an ihrem Eingang aufweist, um hier eine präzise Strahlbeeinflussung und insbesondere Strahlablenkung bereit zu stellen. Da die Strahlformung durch die Transformationsoptikanordnung nachgelagert ist, kann entsprechend ein stabiler Eingang für die Deflektor-Einheit bereitgestellt werden und damit ein einfaches und stabil reproduzierbares Verhalten der Deflektor-Einheit erreicht werden.
Eine Bearbeitungsoptik ist nachgelagert zu der Transformationsoptikanordnung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den abgelenkten und transformierten Laserstrahl in die bildseitige Brennebene der Bearbeitungsoptik zu führen. In diesem Sinne erzeugt die Bearbeitungsoptik eine abschließende Winkel-zu-Orts-Transformation. Dadurch werden alle strahlablenkende Elemente, sprich der Einfluss der Deflektor-Einheit, entsprechend ihrer gewünschten Wirkung in die Bearbeitungsebene überführt. Die Bearbeitungsoptik kann hierbei insbesondere auch die zweite Komponente der Transformationsoptikanordnung sein. Bevorzugt kann die Bearbeitungsoptik jedoch mit der abschließenden Komponente der Transformationsoptikanordnung ein Teleskop mit bevorzugt verkleinernder Wirkung bilden.
Die oben beschrieben korrespondierende Ebenen sind im Allgemeinen definiert als die Ebenen, die durch eine Winkel- zu Ortstransformation und eine anschließende inverse Orts- zu Winkeltransformation (auch als Rücktransformation bezeichnet), beispielsweise durch eine Transformationsoptikanordnung verknüpft sind. Beispielsweise kann im Fall der Transformationsoptikanordnung die vordere Deflektor-Ebene vor der ersten Komponente mit der korrespondierenden Deflektor-Ebene hinter der zweiten Ebene durch diesen Zusammenhang verknüpft sein. Dies entspricht somit einer Abbildung der vorderen Deflektor-Ebene in die korrespondierende Deflektor-Ebene.
Die oben beschriebenen Ebenen, wie die Brenneben, die korrespondierenden Ebenen und die Transformationsebenen sind im mathematischen Idealfall plane Flächen, die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung orientiert sind und insbesondere nicht gekrümmt und lediglich zweidimensional ausgedehnt sind. In der praktischen Umsetzung führen die optischen Komponenten jedoch zu geringfügigen Krümmungen und Verzerrungen dieser Flächen, so dass diese Flächen meistens mindestens lokal gekrümmt sind. Zudem weist der Brennpunkt durch die verwendeten Komponenten auch ein endliches Volumen auf. So kann sich durch die verwendeten Komponenten anstatt einer flachen, zweidimensionalen Brennebene auch ein gekrümmtes Brennvolumen ergeben, indem eine Abbildung des Laserstrahls noch ausreichend scharf ist, wie weiter unten spezifiziert.
Insgesamt ist die Ausrichtung dieses Volumens relativ zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen jedoch in guter Näherung durch Ausrichtung der mathematischen Ebene gegeben. Im Folgenden wird daher stets von der Ebene gesprochen, wobei allerdings das zugängliche Volumen stets mitgedacht wird, auch wenn es nicht explizit erwähnt wird. Die vorstehenden Erklärungen beziehen sich im Übrigen auch auf die verwendeten Brennebenen, Transformationsebenen und Bearbeitungsebenem sowie die jeweils korrespondierenden Ebenen, wobei auch abbildungsbedingte Bildfeldwölbungen mit eingeschlossen sind
Aus den vorangestellten Überlegungen ergeben sich insbesondere für die Positionen der verwendeten Komponenten gewisse Positionierungstoleranzen. Beispielsweise kann eine Positionierungstoleranz bis zu 20% betragen, so dass eine Komponente, die in einem ersten Abstand zu einem Referenzpunkt von beispielsweise 10cm stehen soll, auch bei 9cm und 11cm noch ein ausreichend scharfes Bild ermöglicht. Ausreichend „scharf“ sind die Abbildungen dementsprechend automatisch, wenn die Komponenten alle innerhalb der Positionierungstoleranz positioniert sind. Zudem bedeutet ein „Zusammenfallen“ von zwei Ebenen oder zwei Punkten, dass die zugehörigen Volumina zumindest teilweise überlappen. In weitgehend kollimierten Strahlenbereichen, können zwei Komponenten im Extremfall auch direkt aufeinander folgen.
Zudem kann der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen auch als eine gezielte Intensitätsüberhöhung verstanden werden, wobei die Laserenergie in einen „Fokusbereich“ konvergiert. Insbesondere wird daher im Folgenden der Ausdruck „Fokus“ unabhängig von der tatsächlich verwendeten Strahlform und den Methoden zur Herbeiführung einer Intensitätsüberhöhung verwendet. Durch eine „Fokussierung“ kann auch der Ort der Intensitätserhöhung entlang der Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Intensitätsüberhöhung quasi punktförmig sein und der Fokusbereich einen Gauß-förmigen Intensitätsquerschnitt aufweisen, wie er von einem Gauß’schen Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird. Die Intensitätsüberhöhung kann auch 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 Fokusposition sich in drei Dimensionen erstreckt, wie beispielsweise ein Multi-Spot-Profil aus Gauß’schen Laserstrahlen und/oder nicht Gauß’schen Intensitätsverteilungen.
Mehrere Transformationsoptiken können auch kaskadiert werden.
Dies bedeutet, dass eine erste korrespondierende Ebene einer ersten Transformationsoptikanordnung die Ausgangsebene für eine weitere Transformation mit einer weiteren Transformationsoptikanordnung sein kann. Insbesondere ist dann die zur ersten korrespondierenden Ebene korrespondierende zweite korrespondierende Ebene durch eine entsprechende Transformation verknüpft. In anderen Worten kann auch mehrere Transformationsoptikanordnungen aneinandergereiht werden.
Durch eine Aneinanderreihung beziehungsweise Kaskadierung von Transformationsoptikanordnungen können somit auch mehrere korrespondierende Ebenen erzeugt werden. Hierbei kann eine korrespondierende Ebene auch vor einem entsprechenden Bauteil, beispielsweise einer Transformationsoptikanordnung oder einer Deflektor-Einheit liegen. Diese Ebenen werden rückwärtige Ebenen genannt.
Die Strahlformung kann beispielsweise dann vor oder nach der Deflektor-Einheit stattfinden. Die Deflektor-Einheit kann dann dazu genutzt werden, die verschiedenen Teillaserstrahlen abzulenken beziehungsweise auszublenden oder hinzuzuschalten, während die Strahlformung beziehungsweise die Formung des Strahlprofils in der nachgeschalteten Fourieroptikanordnung mit dem strahlformenden Element erreicht wird.
Die Deflektor-Einheit kann einen ersten Deflektor umfassen, wobei der Laserstrahl in den Eingang des ersten Deflektors einkoppelt und der erste Deflektor dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in eine erste Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken und ihm dadurch bevorzugt einen ersten Winkelversatz aufzuprägen
Die Deflektor-Einheit kann zusätzlich einen zweiten Deflektor umfassen, wobei der Laserstrahl nach dem Durchlaufen des ersten Deflektors in den Eingang des zweiten Deflektors mit dem aufgeprägten ersten Winkelversatz einkoppelt und der zweite Deflektor dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in eine zweite Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken, die bevorzugt senkrecht zur ersten Richtung ist, und ihm dadurch bevorzugt einen zweiten Winkelversatz zusätzlich zum ersten Winkelversatz aufzuprägen. Über die Kombination von zwei Deflektoren lassen sich so beispielsweise Ablenkungen oder Parallelverschiebungen des Laserstrahls in der x- und y-Richtung, also in der x/y-Ebene erzeugen. Insbesondere ist es mit diesem Aufbau auch möglich, dass der erste Deflektor den einfallenden Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen aufspaltet. Die Vielzahl von Teillaserstrahlen treffen dann auf den zweiten Deflektor, in dem jeder der Vielzahl von eintreffenden Teillaserstrahlen beispielsweise senkrecht zur ersten Aufspaltungsrichtung erneut aufgespaltet wird. Dadurch kann beispielsweise eine matrixförmige beziehungsweise rechteckige Multispot-Geometrie der sich ergebenden Teillaserstrahlen erzeugt werden.
Beispielsweise kann der einfallende Laserstrahl durch den ersten Deflektor in fünf Teillaserstrahlen aufgespaltet werden, die entlang der x-Richtung einen erste Winkeldifferenz zueinander aufweisen. Die fünf Teillaserstrahlen können anschließend durch den zweiten Deflektor jeweils in beispielsweise zehn Teillaserstrahlen aufgespaltet werden, wobei die Aufspaltung jedes Teillaserstrahls in einem Winkel zur y-Richtung erfolgt. Die Teillaserstrahlen können dadurch in y- Richtung beispielsweise eine zweite Winkeldifferenz zueinander aufweisen. Somit können bei dem Durchgang durch die Deflektor-Einheit beispielsweise fünfzig Teillaserstrahlen erzeugt werden, wobei die Teillaserstrahlen nach einer Winkel zu Ortstransformation auf einem Raster angeordnet sind.
Die Deflektoren der Deflektor-Einheit können akustooptische Deflektoren sein, wobei mindestens ein akustooptischer Deflektor einen Phased-Array-Transducer umfasst und bevorzugt über einen breiten Ausgangsbereich, bevorzugt von mindestens 0,05°, eine Beugungseffizienz von über 75% aufweist.
Ein Phased-Array-Transducer ist eine Vorrichtung, mit der eine in Abhängigkeit des Ablenkwinkels beziehungsweise der Ansteuerungsfrequenz angepasste akustische Welle die in das optische Material eingebracht wird, erreicht werden kann, so dass in einem großen Volumenanteil des optischen Materials ein homogenes Beugungsgitter ausgebildet wird und damit ein besonders effizientes Beugungsgitter bereitgestellt werden kann. Durch ein Phased-Array kann die akustische Welle zudem in Abhängigkeit der angelegten Frequenz angestellt werden, was bedeutet, dass der Bragg-Winkel bei verschiedensten Ablenkwinkeln sehr genau angenähert werden kann. Dadurch kann eine hohe Beugungseffizienz von beispielsweise über 70% über einen breiten Ablenkbereich von beispielsweise 15mrad (etwa 0,8°) erzielt werden.
Die Beugungseffizienz eines akustooptischen Deflektors kann beispielsweise durch den Anteil der Intensität in der ersten Beugungsordnung im Vergleich zur einfallenden Laserintensität gegeben sein. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass über die Teillaserstrahlen eine hohe Laserenergie für Bearbeitungsprozesse zur Verfügung steht.
Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls ist der Durchmesser des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene. Der akustooptische Deflektor beispielsweise kann die oben genannte Beugungseffizienz über ein Bereich von etwa fünfzehn Fokusdurchmessern aufweisen. Dementsprechend kann mittels zweier kombinierter akustooptischer Deflektoren in einem Bereich von etwa 15x15 Fokusdurchmessern eine Vielzahl von Teillaserstrahlen mit hoher Intensität bereitgestellt werden.
Nach dem ersten Deflektor und vor dem zweiten Deflektor kann der Laserstrahl in eine Polarisationsdreheinrichtung einkoppeln, die dazu eingerichtet ist die Polarisation des Laserstrahls zu drehen.
Durch die Polarisationsdreheinrichtung kann die Polarisationsrichtung des Laserstrahls in eine bevorzugte Richtung gedreht werden. Beispielsweise kann dadurch der Laserstrahl für eine folgende Formung oder Filterung präpariert werden. Die Polarisationsdreheinrichtung kann im einfachsten Fall beispielsweise als Lambda/2-Platte ausgeführt sein.
Die Deflektor-Einheit kann ein Filterelement umfassen, wobei das Filterelement zwischen dem ersten und dem zweiten Deflektor angeordnet ist und das Filterelement bevorzugt dazu eingerichtet ist, die nullte Beugungsordnung des ersten Deflektors herauszufiltern, und/oder wobei das Filterelement nach dem zweiten Deflektor angeordnet ist und das Filterelement bevorzugt dazu eingerichtet ist, Anteile des Strahls, beispielsweis eine nullte Beugungsordnung der Deflektor- Einheit nach dem zweiten Deflektor herauszufiltern, und/oder wobei die Deflektor-Einheit eine weitere Transformationsoptikanordnung mit zwei Komponenten aufweist, die dazu eingerichtet ist eine Ortsablenkung und/oder Winkelablenkung des Laserstrahls mit einer Orts-zu-Winkel und/oder einer Winkel-zu-Orts-Transformation in eine Winkelablenkung und/oder eine Ortsablenkung zu transformieren und/oder zurück zu transformieren, wobei das Filterelement in einer Transformationsebene der Transformationsoptikanordnung angeordnet ist und das Filterelement bevorzugt dazu eingerichtet ist die nullte Beugungsordnung herauszufiltern.
Insbesondere muss hierbei eine Abbildung von dem ersten Deflektor in den zweiten Deflektor gewährleistet werden, wobei die Filterung in der Winkel-zu-Orts-Transformierten des ersten Deflektors stattfindet. Der einfallende Laserstrahl wird in dem Deflektor durch das dort ausgebildete Beugungsgitter gebeugt. Hierbei ergibt sich auch eine nullte Beugungsordnung, welche den Deflektor ohne Ablenkung durchläuft. Die nullte Beugungsordnung verläuft hinter dem Deflektor somit wie der einfallende Laserstrahl, beziehungsweise mit einem Parallelversatz. Um die nullte Beugungsordnung herum schließen sich die höheren und gegebenenfalls auch die negativen Beugungsordnungen an, beispielsweise die erste Beugungsordnung oder die zweite Beugungsordnung. Die erste Beugungsordnung weist hierbei zur nullten Beugungsordnung den Winkelversatz a auf.
Ein Filterelement kann nun in der Deflektor-Einheit, beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Deflektor angeordnet sein, um die nullte Beugungsordnung herausfiltern. Somit werden nur die höheren Beugungsordnungen, also die Beugungsordnungen ab der ersten Beugungsordnung, in den zweiten Deflektor geleitet. Dementsprechend können schließlich nur die abgelenkten Strahlen - also die höheren Beugungsordnungen - die Deflektor-Einheit verlassen.
Ein Filterelement kann aber auch hinter dem zweiten Deflektor angeordnet sein, wobei jeweils die nullte Beugungsordnung der Teillaserstrahlen, sowie die nullte Beugungsordnung des ursprünglichen Laserstrahls herausgefiltert werden.
Da die nullten Beugungsordnungen unabhängig von den Einstellungen und dem Betrieb des Deflektors sind, besteht dementsprechend auch keine Kontrolle über diese Teillaserstrahlen. Dementsprechend kann eine Filterung diese nicht kontrollierbaren Teillaserstrahlen herausfiltern oder zumindest abschwächen.
Es kann in der Deflektor-Einheit auch eine weitere Transformationsoptikanordnung mit zwei Komponenten vorgesehen sein, die beispielsweise hinter dem zweiten Deflektor angeordnet sind, wobei das Filterelement dann in einer Transformationsebene der Transformationsoptikanordnung angeordnet sein kann und bevorzugt dazu eingerichtet sein kann, die nullte Beugungsordnung herauszufiltern. Diese weitere Transformationsoptikanordnung ist unabhängig von der Transformationsoptikanordnung der Vorrichtung und ist lediglich der Deflektor-Einheit zugeordnet.
In der Transformationsebene ist das Bild hinter dem zweiten Deflektor gemäß seinen Raumfrequenzen aufgespaltet, beziehungsweise durch eine Winkel-zu-Orts-Transformation (etwa eine Fourier-Transformation) verknüpft. Insbesondere können, wie oben beschrieben, die Teillaserstrahlen der höheren Beugungsordnung entsprechend einem Raster aufgefächert werden, während die nullten Beugungsordnungen mit dieser Periodizität brechen. Dementsprechend werden die nullten Beugungsordnungen in der Transformationsebene einem anderen Ort zugewiesen als die Beugungsordnungen, die beispielsweise auf einem Raster liegen. Durch ein Filterelement in der Transformationsebene können beispielsweise die nullten Beugungsordnungen herausgefiltert werden.
Ein Filterelement kann beispielsweise auch ein Verlaufsfilter sein, sodass die unterschiedlichen Raumfrequenzanteile beispielsweise in der Transformationsebene unterschiedlich stark abgeschwächt werden. Durch diese Gewichtung der verschiedenen Raumfrequenzanteile ist es möglich die Strahlform in der Bearbeitungsebene zu beeinflussen. Ein Filterelement kann auch reflektiv ausgelegt werden und den transmittierten oder reflektierten Anteil gezielt in eine Strahlfalle lenken.
Ein Filterelement kann auch ein Polarisationselement sein, welches dem Laserstrahl bevorzugt eine lokal variable Polarisationsänderung aufprägt. Dadurch wird die Blendenfunktion in einer lokalen Polarisation codiert. Mittels einem Polarisationsteiler lassen sich dann die verschiedenen Komponenten aus dem Laserstrahl herausfiltern. Bei beispielsweise entspricht eine lokale s- polarisation dann einer vollständigen Transmission und eine lokale p-polarisation einer verschwindenden Transmission. Die Gradienten-Funktionen können auch mittels Zwischenzuständen, beispielsweise durch anteilige p- und s-Polarisation erzeugt werden, womit beispielsweise eine lokale 50 prozentige Transmission am Polarisationsteiler erreicht wird.
Mit anderen Worten verlässt der Laserstrahl dann die Deflektor-Einheit in einer präzisen Form und eine Strahlformung kann in der nachfolgenden Transformationsoptikanordnung mit hoher Qualität erreicht werden.
Die Transformationsoptikanordnung kann eine Fourieroptikanordnung sein, wobei die vordere Deflektor-Ebene der Deflektor-Einheit in der objektseitigen Brennebene der ersten Komponente angeordnet ist, die bildseitige Brennebene der ersten Komponente mit der objektseitigen Brennebene der zweiten Komponente zusammenfällt, und die vordere Deflektor-Ebene der Deflektor-Einheit in der bildseitigen Brennebene der zweiten Komponente abgebildet wird, und der Laserstrahl in der bildseitigen Brennebene der zweiten Komponente entsprechend der Ablenkung durch die Deflektor-Einheit ablenkbar ist.
Eine Fourieroptikanordnung ist ein optischer Aufbau eines Komponentensystems, bei dem die Abstände der Komponenten zueinander, die Abstände der Komponenten zum abzubildenden Objekt sowie die Abstände der Komponenten zur Bildebene, in die das Objekt abgebildet wird, in einer speziellen Beziehung stehen. Die Fourieroptikanordnung kann hierbei mindestens zwei Komponenten umfassen, wobei die Komponenten vorzugsweise die gleiche Brennweite aufweisen. Die Komponenten können aber auch unterschiedliche Brennweiten aufweisen, wenn beispielsweise eine vergrößernde oder verkleinernde Wirkung mit der Komponentenanordnung erzielt werden soll. Im Allgemeinen wird durch die Fourieroptikanordnung im Wesentlichen eine Winkel-zu-Orts Transformation und anschließend wieder eine Orts-zu-Winkeltransformation durchgeführt.
Insgesamt wird durch die oben angegebene Positionierung der Komponenten zum Deflektor eine sogenannte 4f-Optik realisiert, wodurch es möglich ist, die vordere Deflektor-Ebene, und somit den durch die Deflektor-Einheit abgelenkten Laserstrahl, insbesondere mögliche Orts- und Winkelabweichungen des Laserstrahls sowie das Strahlprofil und die Strahlgeometrie, in eine korrespondierende Deflektor-Ebene zu überführen. Der Laserstrahl ist in der korrespondierenden Deflektor-Ebene entsprechend der Auslenkung durch die akustooptische Deflektor-Einheit abgelenkt.
In der der Deflektor-Einheit nachgeschalteten Transformationsoptikanordnung kann bevorzugt ein strahlformendes Element in einer korrespondierenden Deflektor-Ebene oder in einer Transformationsebene oder in einer korrespondierenden Transformationsebene angeordnet sein, wobei das strahlformende Element dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine vorgegebene Intensitätsverteilung und/oder Phasenverteilung und/oder Polarisationsverteilung aufzuprägen.
Unter einem strahlformenden Element wird eine Vorrichtung verstanden, die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen, wobei sie insbesondere dazu eingerichtet ist, um eine laterale Phasenverteilung, eine Polarisationsverteilung, eine Intensitäts- oder Amplitudenverteilung und/oder eine Propagationsrichtung des Laserstrahls, zu beeinflussen. Es kann sich ebenso eine Beeinflussung der Propagationsrichtung bevorzugt indirekt aus der Beeinflussung insbesondere der Phasenverteilung ergeben.
Sollte die Strahlformung beziehungsweise strahlformende Einheit vor der Deflektor-Einheit angeordnet sein, so ist es vorteilhaft, wenn die Eingangswinkelverteilung, die die strahlformende Einheit der Deflektor-Einheit zur Verfügung stellt, möglichst klein ist, sodass eine winkelabhängige Beugungseffizienz des Deflektors vernachlässigbar ist, beziehungsweise kompensierbar ist. Zudem sollte auch die Eintrittsapertur der Deflektor-Einheit, die beispielsweise 2mm bis 20mm betragen kann, keine Limitierung der Strahlform darstellen. Beispielsweise kann vor der Deflektor-Einheit ein nicht-beugender Strahl, beispielsweise ein Bessel-Gauss-Strahl erzeugt werden, dessen Intensitätsverteilung im Fernfeld beispielsweise eine ringförmige Intensitätsverteilung ist, die durch die Deflektor-Einheit geführt wird. Um die nachgelagerten Transformationsebenen herum entstehen dann die nichtbeugenden Strahlen und können mit der Deflektor-Einheit schnell umpositioniert werden.
Aus diesem Grund sind strahlformende Einheiten vor der Deflektor-Einheit insbesondere dazu geeignet das Strahlprofil zu beeinflussen. Beispielsweise kann aus einem Gauß'schen Laserstrahl ein Flat-Top Strahlprofil präpariert werden, wobei die Ablenkung des modifizierten Strahls dann in der Deflektor-Einheit stattfindet. Ergänzend kann die Deflektor-Einheit oder auch eine nachgeschaltete Strahlformung zur Aufspaltung in Teillaserstrahlen und/oder Formung eingesetzt werden. Jeder Teillaserstrahl kann so zum Beispiel anschließend eine Flat-Top Strahlprofil aufweisen.
Strahlformen mit hohen Genauigkeitsanforderungen, beispielsweise an die Ausbreitungsrichtung oder das Strahlprofil können von einer zusätzlichen Formung beziehungsweise Filterung der korrespondierenden Transformationsebene profitieren. Beispielsweise können durch ein entsprechendes Filterelement in der korrespondierenden Transformationsebene bestimmte Raumfrequenzen abgeschwächt werden, sodass beispielsweise der Kontrast in der Bearbeitungsebene steigt. Beispielsweise kann so auch die Winkelabhängigkeit der Ablenkung kompensiert werden.
Das strahlformende Element 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.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. 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.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Strahlteilungseinheit vorgesehen, bevorzugt eine diffraktive Strahlteilungseinheit, die in einer korrespondierenden Deflektor-Ebene oder in einer Transformationsebene oder in einer korrespondierenden Transformationsebene angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Winkelversatz der akustooptischen Deflektor-Einheit anzupassen.
Da der akustooptische Deflektor in seiner Beugungseffizienz begrenzt ist, kann der Laserstrahl nur über einen gewissen Winkelbereich besonders effektiv abgelenkt werden.
Bevorzugt kann eine Strahlablenkeinheit, bevorzugt ein Galvano-Scanner, in einer korrespondierenden akustooptischen Deflektor-Ebene oder in einer Transformationsebene oder in einer korrespondierenden Transformationsebene angeordnet sein und dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl abzulenken.
Eine Strahlablenkeinheit kann hierbei dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl von seiner Strahlrichtung abzulenken. Insbesondere ist eine Strahlablenkung durch einen Parallelversatz oder einen Winkelversatz des transmittierten Laserstrahls zum ursprünglichen Laserstrahl gegeben. Dadurch ist es möglich den Laserstrahl umzupositionieren.
Ein Galvano-Scanner ist hierbei ein Bauteil, wobei mit einem drehbaren Spiegel der Laserstrahl mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit positioniert werden kann. 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 einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Scanner, bevorzugt ein Piezoscanner, dazu eingerichtet, das strahlformende Element und/oder die Strahlteilungseinheit und/oder die Strahlablenkeinheit senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung zu bewegen, wobei die Strahlablenkung der akustooptischen Deflektor-Einheit und die Bewegung des Scanners synchron aufeinander angepasst sind.
Insbesondere kann dies vorteilhaft sein, wenn eine kontinuierliche, scannende Bewegung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene erfolgen soll. Über die Ablenkung mit der akustooptischen Deflektor-Einheit lassen sich so die Auftrefforte des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene manipulieren, während mit dem Nachführen des strahlformenden Elements die Strahlform des eingebrachten Laserstrahls in die Bearbeitungsebene immer gleich ist.
Ein Piezo-Shifter ist hierbei ein elektronisches Bauteil, welches durch Anlegen einer Gleichspannung seine Dicke ändert. Somit ist es möglich durch Anlegen einer Spannung ein auf diesem hierzu befestigten Filterelement zu verschieben. Ein Strahlbereinigungselement, bevorzugt eine Blende, kann in einer korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet sein.
Eine Blende beziehungsweise eine Maske sind Bauteile, die bestimmte Strahlanteile blocken und somit die Amplitudenverteilung des Laserstrahls beeinflussen. Beispielsweise kann eine Blende insbesondere eine Irisblende vom Strahlzentrum entfernte Strahlanteile blocken, während eine Maske komplexer geformt sein kann, um spezifischere Strahlanteile herausfiltern zu können.
Ein gerastertes Strahlformungselement kann in einer korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet sein, wobei bevorzugt jedes Rasterelement ein einzelnes strahlformendes Teilelement ist.
Ein gerastertes strahlformendes Element weist insbesondere eine räumliche Einteilung auf, beispielsweise eine zweidimensionale Einteilung auf. Jedes Element dieser räumlichen Aufteilung wird hierbei auch Rasterelement genannt.
Das gerasterte strahlformende Element kann beispielsweise ein Verlaufsfilter sein und einen Schachbrett-förmigen Verlauf aufweisen oder ein räumlicher Lichtmodulator sein.
Ein räumlicher Lichtmodulator kann beispielsweise ein Nanogitter oder ein Hybridelement sein, welche durch deren inhärente Struktur oder Ausgestaltung dem Laserstrahl eine definierte Phasenverteilung aufprägen können. Beispielsweise kann ein Lichtmodulator aber auch ein räumlicher Lichtmodulator sein, dessen Zellen beziehungsweise Pixel den Laserstrahl durch einstellbare doppelbrechende Eigenschaften beeinflussen.
Gerasterte strahlformende Elemente sind besonders vorteilhaft, wenn sich durch die Wahl des Rasterelements, durch welches der Laserstrahl transmittiert werden soll, die Strahleigenschaften des Laserstrahls ändern. Beispielsweise kann ein Rasterelement einem Gauß'schen Strahlprofil entsprechen, während ein anderes Rasterelement einem Flat-Top Strahlprofil entspricht. Insbesondere ist durch ein gerastertes strahlformendes Element somit gewissermaßen ein Werkzeugwechsel bei Laserbearbeitungsprozessen möglich.
Mittels Rasterelementen ist es auch möglich, einen größeren Scanbereich bei hoher räumlicher Auflösung auf dem Werkstück abzudecken. Hierzu wird der begrenzte Ablenkbereich des Deflektors (beispielsweise 15mrad) mittels einer langbrennweitigen Transformationsoptikanordnung genutzt. Die Kombination mit einer kurzbrennweitigen Bearbeitungsoptik führt somit zu einer verkleinerten Wirkung des Rasterelements beziehungsweise der durch das Rasterelement erzeugten Strahlform auf das Werkstück.
Somit kann ein großer Bereich auf dem Rasterelement adressiert werden, und die lokale Struktur stark verkleinert bzw. mit hohen Winkelanteilen auf dem Werkstück umgesetzt werden.
Insbesondere kann hierdurch aus einem beugenden Strahl, beziehungsweise Gauß'schen Strahl, ein nicht-beugender Strahl erzeugt werden. Nicht-beugende Strahlen sind Strahlen die allgemein als Besselstrahlen bekannt sind, beziehungsweise die praktische Realisierung davon. Nichtbeugende Strahlen weisen hierbei eine besonders große Fokuslagentoleranz auf, da das Strahlprofil in Ausbreitungsrichtung deutlich elongiert gegenüber der lateralen Ausdehnung in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist.
Durch den Einsatz dieser Elemente kann es vorkommen, dass die Abbildung bewusst von der mathematisch idealen Fourieroptikanordnung abweichend erzeugt wird. Befindet sich das Element, wie z.B. ein Microaxiconarray, in der bildseitigen Brennebene einer vorangehenden Optik kann der objektseitige Brennebene der folgenden Optik bewusst verschoben werden. Dadurch liegt diese nicht im segmentierten Element, sondern in dem vom segmentierten Element erzeugten Zwischenfokus. Die folgenden Optiken überführen wie zuvor auch, diesen Zwischenfokus in die Bearbeitungsebene. Die Positionsabweichung der auf das segmentierte Element folgenden Optik, kann in diesem Fall auch mehr die zuvor erwähnten 20% betragen.
Es kann ein Steuergerät zur Steuerung der Deflektor-Einheit vorgesehen sein, welches dazu eingerichtet ist, die Ablenkung des einfallenden Laserstrahlen so zu bewirken, dass jeder Puls des Laserstrahls auf ein anderes Rasterelement des gerasterten strahlformenden Elements trifft oder der Laserstrahl zu einem bestimmten Rasterelement gelenkt wird oder der Laserstrahl mehrere Rasterelemente überstreicht oder eine Mehrzahl von Teillaserstrahlen gezielt zu mehreren Rasterelementen geführt werden.
Hierzu kann die Steuervorrichtung der Deflektor-Einheit Steuersignale für zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann durch die Periode beziehungsweise die Frequenz des Steuersignals der Steuervorrichtung die Gitterkonstante des optischen Gitters des akustooptischen Deflektors festgelegt werden, so dass über die Gitterkonstante des optischen Gitters der Beugungswinkel des Laserstrahls bestimmt ist. Das Steuersignal kann durch die Steuervorrichtung verändert werden, so dass die Art und Weise, sowie das Maß der Strahlbeeinflussung durch die Steuervorrichtung gesteuert werden kann. Über die Amplitude kann die Stärke der Ausbildung des Beugungsgitters in dem optischen Material des akustooptischen Deflektors justiert werden.
Insbesondere kann damit eine schnelle Strahlablenkung realisiert werden, wobei der Laserstrahl mit einer Rate von bis zu 1 MHz oder 10MHz oder 100MHz in dem Arbeitsfeld der Deflektor-Einheit frei positioniert werden kann. Typischerweise basiert eine entsprechende Steuervorrichtung daher auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) mit schnell angebundenen Speichern, wobei für einen spezifischen Bearbeitungsvorgang oder Prozess, Bearbeitungsparameter wie beispielsweise Strahlgeometrie, Strahlprofil und Strahlablenkung hinterlegt werden können.
Das Steuersignal kann insbesondere aus mehreren periodischen, elektronischen Signalen unterschiedlicher Frequenz zusammengesetzt sein. Durch die unterschiedlichen Frequenzkomponenten des Signals weist auch das dadurch von der akustooptischen Deflektor- Einheit erzeugte optische Gitter unterschiedliche oder überlagerte Gitterkonstanten auf. Die unterschiedlichen Gitterkonstanten führen dementsprechend zu einer Vielzahl von möglichen Beugungsordnungen.
Insbesondere wird der einfallende Laserstrahl dadurch in mehrere Teillaserstrahlen aufgespaltet, wobei der Winkelversatz der Teillaserstrahlen letztendlich durch die Frequenzkomponenten des Steuersignals gegeben sind. Somit kann demnach mit der Deflektor-Einheit eine Multispot- Geometrie erzeugt werden.
Das Steuersignal für die Deflektor-Einheit kann zudem auch ein Arbiträrsignal sein, wobei ein Arbiträrsignal aus einer Vielzahl von Signalen zusammengesetzt sein kann und/oder die Frequenz mit der Zeit variiert wird. Hierdurch werden komplexe Beugungsgitter erzeugt, die insbesondere auch das Strahlprofil des Laserstrahls oder der Teillaserstrahlen beeinflussen können.
Da das Beugungsbild beispielsweise der Fourier-Transformierten der Gitterfunktion entspricht, lassen sich über entsprechend gewählte Beugungsgitter Bildfehler, die durch den vorherigen oder den weiteren Durchgang des Laserstrahls durch optische Komponenten entstehen oder zu erwarten sind, wie beispielsweise Astigmatismus und Aberrationen, weitgehend ausgleichen oder kompensieren.
Durch Arbiträrsignale ist es weiterhin möglich, die Strahlablenkung kontinuierlich oder sprunghaft zu beeinflussen, so dass ein kontinuierliches Verfahren des abgelenkten Laserstrahls oder eine sprunghafte aber genaue Positionierung des Laserstrahls ermöglicht wird. Beispielsweise kann ein Arbiträrsignal mit steigender Frequenz, also kürzer-werdender Wellenlänge der akustischen Welle in der Deflektor-Einheit, eine vergrößerte Ablenkung des Laserstrahls bewirken. Beispielsweise kann ein sprunghafter Wechsel der Anregungsfrequenz zu einem Sprung, beziehungsweise einer Neupositionierung des Laserstrahls führen.
Durch die Verwendung von Arbiträrsignalen als Steuersignale lassen sich dem Laserstrahl somit eine Vielzahl von verschiedenen Strahlprofilen und Variationen hiervon aufprägen. Beispielsweise kann somit auch eine Multispot-Geometrie erzeugt werden, wobei die Teillaserstrahlen der Multispot-Geometrie auf spezifische Maskenpositionen gerichtet sind. Insbesondere ist es möglich für jeden Puls des Ultrakurzpulslasers ein spezifisches Rasterelement festzulegen, welches den jeweiligen Puls beeinflussen soll.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Bearbeitungsoptik nachgelagert zu der Transformationsoptikanordnung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl durch das strahlformende Element und/oder die Strahlteilungseinheit und/oder die Strahlablenkeinheit in die bildseitige Brennebene der Bearbeitungsoptik zuführen, wobei die Bearbeitungsoptik bevorzugt zusammen mit dem abschließenden Element der Transformationsoptikanordnung eine verkleinernde Wirkung aufweist, besonders bevorzugt mit großer numerischer Apertur und kurzer Brennweite ausgestaltet ist und/oder als transmissive oder als reflektive Optik ausgebildet ist.
Die numerische Apertur NA beschreibt das Vermögen eines optischen Elements Licht zu fokussieren. Die numerische Apertur ergibt sich hierbei aus dem Öffnungswinkel des Objektivs und dem Brechungsindex des Materials zwischen dem Objektiv und dem Fokuspunkt. Eine maximale numerische Apertur ist erreicht, wenn der Öffnungswinkel 90° zwischen dem Randstrahl und der optischen Achse beträgt. Die maximale Auflösung beziehungsweise die minimale Strukturgröße, die durch das Objektiv abgebildet werden kann, ist dann direkt proportional zur Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch die numerische Apertur.
Ein Hoch-NA-Objektiv ist dementsprechend ein Objektiv, welches eine große numerische Apertur aufweist, also einen großen Öffnungswinkel aufweist. Dadurch lassen sich mit einem Hoch-NA- Objektiv Mikrostrukturen hochauflösend in das Material einbringen. Beispielsweise kann die numerische Apertur größer als 0,1 sein, insbesondere größer als 0,2 sein.
Es kann aber auch sein, dass das Objektiv kein Hoch-NA-Objektiv ist. Insbesondere können sowohl langbrennweitige als auch kurzbrennweitige Optiken verwendet werden. Als transmissive Optik wird ein optisches System bezeichnet, wobei das Licht beim Durchgang durch ein optisches Medium beeinflusst wird. Beispielsweise ist eine Linse eine transmissive Optik. Die Optik kann jedoch auch als reflektive Optik ausgebildet sein. Reflektive Optiken beeinflussen die Strahlausbreitung, ohne dass das Licht durch ein optisches Medium propagieren muss. Die Beeinflussung wird insbesondere durch ein Spiegelsystem realisiert. Beispielsweise ist ein Teleskop-Spiegel eine reflektive Optik. Insbesondere ist auch ein Schwarzschild-Objektiv eine reflektive Optik.
Die Bearbeitungsoptik bildet eine abschließende Winkel-zu-Orts-Transformation, womit die Bearbeitungsebene einer Transformationsebene entspricht. Dadurch werden alle strahlformenden, strahlteilende oder strahlablenkende Elemente entsprechend ihrer gewünschten Wirkung in die Bearbeitungsebene überführt.
Bevorzugt ist eine Vorschubvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, ein zu bearbeitendes Material aufzunehmen, in der bildseitigen Brennebene der Bearbeitungsoptik anzuordnen und das Material relativ zum Laserstrahl zu bewegen, wodurch der Laserstrahl über das Material geführt wird.
Die Vorschubvorrichtung kann beispielsweise eine Befestigungsvorrichtung aufweisen, auf der das Material fixiert werden kann. Eine Fixierung kann beispielsweise durch Kleben oder Verklemmen bewerkstelligt werden. Eine Fixierung kann aber auch über einen Unterdrück mittels einer an Saugvorrichtung funktionieren. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung in mindestens zwei Raumachsen beweglich sein. Typisch beinhaltet die Vorschubvorrichtung eine weitere Translationsachse, insbesondere bei gekrümmten oder verkippten Werkstückoberflächen werden weitere Rotations- oder Kippelemente zur Positionierung des Laserstrahls relativ zum Werkstück eingesetzt. Beispielweise kann daher die Vorschubvorrichtung auch ein XY-Tisch oder ein XYZ- Tisch sein.
Eine Vorschubvorrichtung kann des Weiteren automatisiert, beziehungsweise motorisiert mit einem Vorschub bewegt oder verschoben werden. Der Vorschub ist hierbei eine Bewegung mit einer Vorschubgeschwindigkeit, wobei der Vorschub entlang einer Vorschubtrajektorie stattfindet.
Indem die Vorschubvorrichtung das Material relativ zum Laserstrahl bewegt, wird der Laserstrahl entlang der Vorschubtrajektorie über das Material geführt, wodurch es möglich ist, das Material an den Orten der Vorschubtrajektorie zu bearbeiten und ggf. auch den Anstellwinkel der Laserstrahlung zum Werkstück zu kontrollieren. Indem das Material in der bildseitigen Brennebene der Bearbeitungsoptik angeordnet wird, ist es möglich, den durch das strahlformende Element geführte Laserstrahl auf das oder in das Material zu führen. Dadurch wird die Laserenergie gemäß der aufgeprägten Strahlform in das Material eingebracht, wodurch sich beispielsweise das Material erhitzt oder direkt in einen Plasma-Zustand übergeht. Dies kann zu einer Modifikation des Materials führen und beispielsweise bei einem Glas zu einer Modifikation der Glasnetzstruktur. Bei genügend hohem Lichteintrag kann eine solche Energiedeposition aber auch zu einer Ablation führen und somit bei einem Bohrprozess, beispielsweise bei einem Perkussionsbohrprozess, verwendet werden.
Dabei kann die Vorschubvorrichtung zum Austausch von Steuersignalen mit einer Steuervorrichtung verbunden sein und die Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, die Position der Vorschubvorrichtung relativ zur Ansteuerung der akustooptischen Deflektor-Einheit anzupassen.
Die Steuervorrichtung ist dabei die Steuervorrichtung, die auch die akustooptische Deflektor-Einheit ansteuert beziehungsweise ist sie mit dieser zumindest datentechnisch verbunden.
Dadurch kann die Position des Laserstrahls gemäß der Ansteuerung der akustooptischen Deflektor- Einheit angepasst werden. Beispielsweise kann während einer langsamen Translation durch die Vorschubvorrichtung in einem ersten Bereich eine erste Strahlform eingebracht werden, während nach einer gewissen Zeitdauer der erste Bereich in den zweiten Bereich übergeht und dort eine zweite Strahlform eingebracht werden soll. Über die Kopplung der Vorschubvorrichtung und der akustooptischen Deflektor-Einheit an die Steuervorrichtung ist eine systemweite Koordinierung der Materialbearbeitung möglich.
Die Steuervorrichtung kann durch die Anbindung der Vorschubvorrichtung und der akustooptischen Deflektor-Einheit den Strahlversatz durch ein zwischen zwei Pulsen in der Brennebene der Bearbeitungsoptik mit der Vorschubvorrichtung beziehungsweise der akustooptischen Deflektor- Einheit kompensieren beziehungsweise vergleichmäßigen.
Beispielsweise kann sich durch eine variierende Vorschubgeschwindigkeit entlang der Vorschubtrajektorie der räumliche Abstand der Einbringung aufeinanderfolgender Laserpulse, die mit fixem Zeitabstand abgegeben werden, ändern. Eine solche variierende Vorschubgeschwindigkeit tritt bei trägheitbeaufschlagten Vorschub- oder Ablenkeinheiten insbesondere bei Richtungsänderungen, beispielsweise in Kurven oder Ecken der Vorschubtrajektorie auf. In diesen Bereichen kann es daher sinnvoll sein, die Geschwindigkeitsänderungen der Vorschubvorrichtung mit einer entsprechenden Ansteuerung der akustooptischen Deflektor-Einheit zu kompensieren. In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorschubvorrichtung mindestens einen Achsencoder auf, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Achsencoder-Position auszulesen, der Laser dazu eingerichtet ist, an die Steuervorrichtung die Grundfrequenz für den steuernden Takt zur Ablenkung des Laserstrahls durch die akustooptische Deflektor-Einheit und zum Auslesen der Achsencoder-Position anzugeben, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, aus der derzeitigen Achsencoder-Position in Echtzeit ein Positionsfehler für den nachfolgenden Puls errechnet wird, wobei die Steuervorrichtung den Positionsfehler durch die Anpassung des Steuersignals der akustooptischen Deflektor-Einheit korrigiert.
Wird die Vorschubvorrichtung bewegt, so kann die momentane Ortsposition in der Steuervorrichtung über die ausgelesenen Achsencoder-Positionen verarbeitet werden. Indem die Grundfrequenz des Lasers den Takt und somit eine gemeinsame Zeitbasis zur Verfügung stellt, kann über die Steuervorrichtung der Vorschub, die Pulsabgabe und die Strahlablenkung koordiniert werden, beziehungsweise synchronisiert werden.
Durch ein Rückführen der Achsenencoder-Positionen von der Vorschubvorrichtung zur Steuervorrichtung kann in Echtzeit ein Positionsfehler für den nachfolgenden kommenden Puls errechnet werden. Mit der akustooptischen Deflektor-Einheit kann dann dieser Fehler kompensiert werden, sofern der Fehler innerhalb des der akustooptischen Deflektor-Einheit zugänglichen Bearbeitungsbereiches liegt. Dabei wird weder ein komplexes Modell noch große Speichermengen benötigt.
Insbesondere kann somit der Verringerung der Repetitionsfrequenz der Pulse bei einem langsamen Vorschub entgegengewirkt werden. Somit wirkt sich die Beibehaltung der Repetitionsfrequenz des Lasers positiv auf dessen Energiestabilität aus.
Hervorzuheben ist, dass insbesondere die Kombination aus Strahlformung und Strahlbeeinflussung mittels akustooptischer Deflektor-Einheit von besonderem Vorteil ist, da durch die Strahlbeeinflussung die Wirkung des einzelnen Pulses verbessert werden kann. Somit können auch die Vorteile der exakten Strahlpositionierung ohne Reduktion der Repetitionsfrequenz ausgeschöpft werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 einen schematischen Aufbau der Vorrichtung zur Strahlbeeinflussung eines
Laserstrahls;
Figur 2 A, B eine schematische Darstellung der Strahlbeeinflussung durch einen akustooptischen Deflektor und eine akustooptische Deflektor-Einheit;
Figur 3 A, B eine schematische Darstellung der Fourieroptikanordnung;
Figur 4 A, B eine Möglichkeit zur Realisierung einer Filterung, sowie ein Filterelement;
Figur 5 A, B, C, D eine schematische Darstellung der Fourieroptikanordnung mit strahlformendem
Element, sowie verschiedene Strahlquerschnitt;
Figur 6 A, B, C, D verschiedene gerasterte strahlformende Elemente;
Figur 7 A, B, C, D die schematische Funktionsweise einer akustooptischen Deflektor-Einheit in
Verbindung mit einem strahlformenden Element;
Figur 8 eine schematische Darstellung der Bearbeitungsoptik;
Figur 9 eine schematische Darstellung des Strahlbeeinflussungssystems mit
Vorschubvorrichtung und rückgekoppelten Achsencoder; und
Figur 10 A, B eine schematische Darstellung der Bearbeitung eines Materials entlang einer Vorschubtrajektorie mit und ohne Kompensation der Vorschubgeschwindigkeit durch die Deflektor-Einheit.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Strahlbeeinflussung eines Laserstrahls 20 gezeigt. Ein schematisch dargestellter Ultrakurzpulslaser 2 ist hierbei dazu vorgesehen, einen Laserstrahl 20 zu erzeugen. Der Laserstrahl 20 wird durch eine Deflektor-Einheit 3 geleitet, in welcher der Laserstrahl 20 abgelenkt wird. Hierzu ist die Deflektor-Einheit 3 mit einer Steuervorrichtung 5 verbunden, wobei die Steuervorrichtung 5 elektronische Steuersignale an die Deflektor-Einheit 3 senden kann.
Angesteuert durch die elektronischen Steuersignale wird der Laserstrahl 20 in vorteilhafter Art und Weise abgelenkt. Beispielsweise kann die Deflektor-Einheit 3 akustooptische Deflektoren umfassen. Bei akustooptischen Deflektoren werden durch die elektronischen Steuersignale in dem optischen Material der Deflektor-Einheit 3 akustische Wellen erzeugt, die zu einer Modulation des Brechungsindex des optischen Materials führen. Durch die Modulation des Brechungsindex entstehen optische Gitter, an denen ein durchlaufender Laserstrahl 20 gebeugt werden kann. Das entstehende Beugungsmuster ist hierbei spezifisch für die jeweilige Ausgestaltung der akustischen Welle. Somit ist es möglich, über die akustischen Wellen das Beugungsmuster zu beeinflussen.
Der durch die Deflektor-Einheit 3 abgelenkte Laserstrahl 20 wird anschließend durch eine Transformationsoptikanordnung 4, in der eine Filterung, Formung, Strahlmanipulation und weitere Strahlbearbeitung stattfinden kann und eine Bearbeitungsoptik 9 in eine Brennebene 90 geführt, wobei der Laserstrahl 20 in der Brennebene 90 entsprechend der Auslenkung durch die Deflektor- Einheit 3 beeinflusst und insbesondere hinsichtlich des Winkels abgelenkt beziehungsweise umpositioniert ist.
In Figur 2A ist exemplarisch ein akustooptischer Deflektor 30 der Deflektor-Einheit 3 gezeigt. Der Laserstrahl 20 wird hierbei in den Eingang des akustooptischen Deflektors 30 eingekoppelt. Eine Einkopplung bezeichnet in diesem Fall eine einfache Transmission durch eine Eintrittsöffnung 300 des akustooptischen Deflektors 30.
Durch den akustooptischen Deflektor 30 wird der Laserstrahl 20 teilweise ohne Ablenkung durch die Brechungsindexmodulation transmittiert. Der unabgelenkte Strahlteil wird die nullte Beugungsordnung 302 des akustooptischen Deflektors 30 genannt. Daneben existiert auch mindestens noch die erste Beugungsordnung 304 des akustooptischen Deflektors 30. Die erste Beugungsordnung 304 schließt mit der nullten Beugungsordnung 302 den Winkel a ein. Der Winkel a ist hierbei durch die elektronischen Steuersignale der Steuervorrichtung 5 und damit über die in dem akustooptischen Deflektor 30 erzeugte akustische Wellenstruktur steuerbar. Beispielsweise kann der Winkel a verkleinert oder vergrößert werden. Dies ist in der Figur durch die gestrichelten Pfeile hinter dem akustooptischen Deflektor 30 dargestellt, wobei die mit der gepunkteten Linie umrandete Box den maximal erreichbaren Ablenkbereich durch den akustooptischen Deflektor 30 zeigt. Dabei ist der akustoopische Deflektor 30 unter Berücksichtigung der Parameter des Laserstrahls 20 derart ausgeführt und relativ zum Laserstrahl 20 ausgerichtet, dass für den angestrebten Winkelbereich a der ersten Beugungsordnung 304 eine für die Anwendung optimale Kombination aus maximaler Beugungseffizienz und minimaler Strahldeformation erfolgt.
Der akustooptische Deflektor 30 kann des Weiteren einen Phased-Array-Transducer umfassen, wodurch über einen breiten Ablenkbereich hinweg eine Beugungseffizienz von über 5% bis zu über 90 % erreicht und gleichzeitig eine vernachlässigende Strahldeformation erzielt werden kann. Der Ablenkbereich kann hierbei bezogen auf den Öffnungswinkel des Laserstrahls 20 um den 15- fachen Winkel betragen und entsprechend nach einer Winkel-Ort Transformation einen Bereich von etwa 15 Fokusdurchmessern des abgelenkten Laserstrahls 20 aufweisen.
Der akustooptische Deflektor 30 bewirkt eine Strahlablenkung entlang der y-Achse. Um eine Strahlablenkung in x-Richtung zu bewirken kann der akustooptische Deflektor 30 beispielsweise um 90° gedreht werden.
In Figur 2B ist eine Kombination von zwei akustooptischen Deflektoren 30, 32 zu einer Deflektor- Einheit 3 gezeigt. Der erste akustooptische Deflektor 30 erzeugt hierbei wie in Figur 2A eine Strahlablenkung in y-Richtung. Die erste Beugungsordnung 304 des ersten akustooptischen Deflektors 30 trifft dann auf die Eintrittsöffnung 320 des zweiten akustooptischen Deflektors 32. Die Schallausbreitungsrichtung des zweiten akustooptischen Deflektors 32 ist in diesem Beispiel um nahezu 90° gegenüber der des ersten akustooptischen Deflektors 30 derart gedreht, dass die Auslenkung durch den zweiten akustooptischen Deflektor 32 in y-Richtung erfolgt. Weiterhin ist die Schallausbreitungsrichtung des zweiten akustooptischen Deflektors 32 zu den durch den akustooptischen Deflektor 30 abgelenkten Strahlen erster Beugungsordnung 304 so ausgerichtet, dass eine hohe Beugungseffizienz und geringe Strahldeformation der ersten Beugungsordnung 324 um den Winkel ß erzielbar sind. Dabei bezieht sich der Winkel ß auf den Winkel zu der nullten Beugungsordnung 322 des zweiten Deflektors 32, der durch die nicht gebeugten Strahlanteile aus der ersten Beugungsordnung 304 des ersten Deflektors 30 gebildet wird. Dementsprechend hat die erste Beugungsordnung 324 des zweiten akustooptischen Deflektors 32 einen gesamten Winkelversatz a zum einfallenden Laserstrahl in y-Richtung sowie einen Winkelversatz ß zum einfallenden Laserstrahl 20 in x-Richtung. Über die beiden akustooptischen Deflektoren 30, 32 werden somit unabhängig voneinander die Auslenkungen des Laserstrahls senkrecht zur ursprünglichen Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst.
Alternativ zu einer Drehung der Schallfeldrichtung der akustooptischen Deflektoren 30 und 32 kann zwischen den akustooptischen Deflektoren auch eine Bildrotation um 90° erfolgen. So kann beispielsweise auch die Auslenkung durch den ersten akustooptischen Deflektor in x-Richtung mit dem Winkel a erfolgen und mittels Bildrotation die y-Richtung transformiert werden, bevor diese erste Beugungsordnung 304 des ersten akustooptischen Deflektors 30 in den zweiten akustooptischen Deflektor 32 gekoppelt werden, um eine erste Beugungsordnung 324 mit dem Winkel a in x-Richtung bereitzustellen.
Häufig weisen akustooptische Deflektoren eine von der Eingangspolarisation abhängige Beugungseffizienz auf. In diesem Fall ist es vorteilhaft die Eingangspolarisation der eingekoppelten Strahlen 20 beziehungsweise 304 jeweils an die Schallfeldrichtung der akustooptischen Deflektoren 30 und 32 anzupassen.
Bei einer Ausführung entsprechend Fig. 2B bietet sich also eine Rotation der Polarisation zwischen den beiden akustooptischen Deflektoren 30 und 32 an, beispielsweise mittels eines Polarisationsrotators oder eines in 45° zur Polarisation ausgerichteten Halbwellen-Verzögerungs- Elementes an. Bei einer Ausführung mit Bildrotation erfolgt die Bildrotation bevorzug ohne eine Polarisationrotation.
Insbesondere können durch die akustooptischen Deflektoren 30 und 32 in den Figuren 2A, 2B auch eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 200 erzeugt werden, die insbesondere durch die gestrichelten Pfeile dargestellt werden können. Dementsprechend ist es mit dem ersten akustooptischen Deflektor 30 möglich, beispielsweise drei Teillaserstrahlen zu erzeugen, während diese drei Teillaserstrahlen anschließend über den zweiten akustooptischen Deflektor 32 erneut in je drei Teillaserstrahlen aufgespaltet werden, so dass sich insgesamt neun Teillaserstrahlen ergeben (vergleiche Figur 4B).
In Figur 3A ist schematisch eine Transformationsoptikanordnung 4 gezeigt, welche eine erste Komponente 40 und eine zweite Komponente 42 umfasst. Die erste Komponente 40 weist hierbei eine erste Brennweite 400 auf, während die zweite Komponente 42 eine zweite Brennweite 420 aufweist. Vorzugsweise sind die beiden Brennweiten 400, 420 gleich groß. Die bildseitige Brennebene der Transformationsoptikanordnung 4 wird auch die korrespondierende Deflektor- Ebene E2 genannt.
Die vordere Deflektor-Ebene E1 steht in der objektseitigen Brennebene der ersten Komponente 40. Die bildseitige Brennebene der ersten Komponente 40 fällt mit der objektseitigen Brennebene der zweiten Komponente 42 zusammen, so dass die Transformationsoptikanordnung 4 eine Fourieroptikanordnung ist. Dementsprechend ist der Abstand der ersten Komponente 40 von der zweiten Komponente 42 die Summe der beiden Brennweiten 400, 420. Die Ebene, in der die beiden Brennebenen zusammenfallen, ist die sogenannte Transformationsebene F1. In der Transformationsebene F1 wird das Objekt, sprich der beeinflusste Laserstrahl 20, durch die Deflektor-Einheit 3 entsprechend seinen Raumfrequenzen aufgespaltet. Dadurch kann in der Transformationsebene F1 eine Filterung und weitere Strahlformung der Strahlen stattfinden.
Mit anderen Worten ist die Transformationsoptikanordnung 4 nachgelagert zu der Deflektor-Einheit 3 angeordnet. Mittels der nachgelagerten Transformationsoptikanordnung 4 kann eine Strahlformung des durch die Deflektor-Einheit 3 abgelenkten und eventuell durch Filterung der nullten Beugungsordnung aufbereiteten Laserstrahls erreicht werden. Typischerweise kann eine Formung des transversalen Strahlprofils, wie beispielsweise ein Rechteck oder Ringfokus, durch ein strahlformendes Element 6, z.B. ein DOE, in der Ebene E2 stattfinden.
In der Figur 3A ist die Aufspaltung der Strahlen vor der Komponente 40 zur Verdeutlichung der Erfindung besonders groß dargestellt. In der experimentellen Praxis laufen die Strahlen der nullten und ersten Beugungsordnung jedoch nahezu parallel, so dass die beiden Beugungsordnungen erst durch die Aufspaltung in die Raumfrequenzen in der Transformationsebene F1 getrennt werden können.
Die Deflektor-Einheit 3 kann selbst optional ein Filterelement 34 aufweisen. Beispielsweise kann das Filterelement 34, wie schematisch in der Figur gezeigt, hinter dem ersten Deflektor 30 angebracht sein, sodass beispielsweise die nullte Beugungsordnung zwischen dem ersten und zweiten Deflektor herausgefiltert wird. Insbesondere umfasst in der gezeigten Darstellung das Filterelement 34 auch optische Komponenten, um den Deflektor 30 in den Deflektor 32 abzubilden und so die Filterung zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine solche Filterung durch eine Irisblende realisiert werden. Insbesondere kann auch die Eintrittsöffnung des Deflektors als Blende dienen, sofern die Aufspaltung von nu liter und erster Beugungsordnung des ersten Deflektors 30 an der Eintrittsöffnung 320 einen größeren Ortsversatz erzeugt, als durch die Eintrittsöffnung eingekoppelt werden kann, wie bereits schematisch in Figur 2B gezeigt.
Ein Filterelement 34 kann aber auch hinter dem zweiten akustooptischen Deflektor 32 angebracht sein, bevorzugt in der Transformationsebene F1. Auch hier kann das Filterelement 34 beispielsweise eine Irisblende sein und verschiedene Beugungsordnungen beziehungsweise aufgefächerte Teillaserstrahlen aus dem Strahlengang herausfiltern. Alternativ kann die Filterfunktionalität in einer im Bereich der Transformationsebene F1 angeordneten Strahlbeeinflussungskomponenten integriert werden. In Figur 3B wird die korrespondierende Deflektor-Ebene E2 mit einer kaskadierten zweiten Transformationsoptikanordnung 4‘ und einer Bearbeitungsoptik 9 in die bildseitige Brennebene 90 überführt.
Die Bearbeitungsoptik 9 kann beispielsweise ein Teleskop sein oder mit der abschließenden Komponente der Transformationsoptikanordnung ein Teleskop bilden und somit insbesondere mehrere Linsen oder Spiegel umfassen. Beispielsweise kann das Teleskop eine verkleinernde Wirkung aufweisen, sodass die in der Deflektor-Ebene angezeigte Strahlform in der Bearbeitungsebene verkleinert eingebracht wird. Hierfür kann insbesondere ein Objektiv mit einer großen numerischen Apertur verwendet werden, wobei die große numerische Apertur für einen großen Öffnungswinkel des Objektivs steht. Dieser Öffnungswinkel in der Figur 3B durch den stumpf zulaufenden Winkel hinter der Bearbeitungsoptik 9 schematisch dargestellt.
In Figur 4A ist eine weitere Möglichkeit zur Realisierung einer Filterung gezeigt. Hierbei weist die Deflektor-Einheit 3 selbst eine weitere Transformationsoptikanordnung 4‘ auf. Insbesondere kann die Transformationsoptikanordnung 4‘ auch eine Fourieroptikanordnung sein. Die Transformationsoptikanordnung 4‘ kann hierbei zusätzlich zur der in Figur 3 gezeigten Transformationsoptikanordnung 4 angebracht werden, wobei die weitere Transformationsoptikanordnung 4‘ hinter dem zweiten Deflektor 32 angeordnet ist und insbesondere in Strahlrichtung vor der vorderen Deflektor-Ebene 1. Die Transformationsoptikanordnung 4‘ der Deflektor-Einheit 3 kann die Strahlaufspaltung durch die kombinierten Deflektoren 30, 32 in ihrer Raumfrequenzanteile zerlegen und diese in der Transformationsebene FT führen.
In der Transformationsebene FT können die Raumfrequenzanteile des Laserstrahls mit einem Filterelement 34 gefiltert und gewichtet werden. Ein solches Filterelement 34 kann beispielsweise bestimmte Raumfrequenzanteile herausfiltern, oder abschwächen, sodass beispielsweise eine Schärfung oder eine Kontrasterhöhung des Bildes in der Bearbeitungsebene erzielt wird.
Durch die Abbildung der zweiten Komponente 42‘ der gefilterten Transformationsebene FT werden die Raufrequenzen wieder zu einem Bild zusammengesetzt, welches der gefilterten Variante des Bildes am Ausgang des zweiten akustooptischen Deflektors 32 entspricht. Dieses Bild wird dann in der vorderen Deflektor-Ebene E1 zur Verfügung gestellt.
In Figur 4B ist ein entsprechendes Filterelement 34 gezeigt. Beispielsweise kann die Gesamtheit an Teillaserstrahlen 200, in die der Laserstrahl 20 durch die Deflektoren 30, 32 aufgespaltet wird, zueinander einen regelmäßigen Ortsversatz aufweisen, der in der Transformationsebene hochfrequente und niederfrequenten Raumfrequenzanteile bereitstellt. Hierbei sind die niederfrequenten Raumanteile etwa im Ursprung des Koordinatensystems angeordnet, während die hochfrequenten Frequenzanteile Signale in großer Entfernung zum Koordinatensystemursprung erzeugen.
Das Filterelement 34 kann hierbei transparente Teilbereiche 342, sowie opake Teilbereiche 340 aufweisen. Dadurch ist es möglich, bestimmte Raumfrequenzanteile aus der Transformationsebene herauszufiltern. Beispielweise kann dadurch auch die nullte Beugungsordnung herausgefiltert werden.
In Figur 5A ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit der Vorrichtung mit einer Fourieroptikanordnung 4 gezeigt. Hinter der vorderen Deflektor-Ebene E1 kann sich die nachgelagerte Transformationsoptikanordnung 4 erstrecken. Hierbei wird die vordere Deflektor- Ebene E1 durch die Komponentenanordnung beispielsweise in die korrespondierende vordere Deflektor-Ebene E2 überführt. Die Transformationsebene F1 wird durch die Transformationsoptikanordnung 4 in die korrespondierende Transformationsebene F2 überführt. Die korrespondierende Deflektor-Ebene E2 wird des Weiteren durch die Transformationsoptikanordnung 4 in die korrespondierende Deflektor-Ebene E3 überführt usw.
Die Transformationsoptikanordnung 4 kann auch aus mehreren Transformationsoptikanordnungen, insbesondere Fourieroptikanordnungen, zusammengesetzt sein und so eine Nf-Optik erzeugt werden, wobei N eine natürliche gerade Zahl ist. Hierbei ist lediglich relevant, dass die letzte erzeugte Ebene mit der Brennebene der hinzugefügten Komponente zusammenfällt. Auf diese Art und Weise lassen sich beliebig viele Bildebenen und Transformationsebenen erstellen, in die jeweils beispielsweise ein Filterelement eingefügt werden kann.
In der Figur 5A ist in der korrespondierenden Deflektor-Ebene E2 ein strahlformendes Element 6 eingebracht. Ein strahlformendes Element 6 kann dabei beispielsweise ein diffraktives optisches Element sein, welches beispielsweise ein Gauß'sches Strahlprofil in Fig. 5B in ein Flat-Top Strahlprofil in Fig. 5C umwandeln kann.
Beispielsweise weist der Laserstrahl 20 vor der korrespondierenden Deflektor-Ebene E2 ein Gauß'sches Strahlprofil auf, was bedeutet, dass der Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 20 eine Gauß'sche Glockenkurve ist, wie in Figur 5B schematisch als lateraler Strahlquerschnitt gezeigt. Beim Durchlaufen des diffraktiven optischen Elements 6 wird dem Laserstrahls 20 ein Flat-Top Strahlprofil aufgeprägt. Ein Flat-Top Strahlprofil weist über den Strahlquerschnitt eine gleichgroße Intensität auf, und fällt am Rande des Strahls sehr schnell auf eine verschwindend geringe Intensität ab, wie in Figur 5C schematisch als lateraler Strahlquerschnitt gezeigt.
Ein Flat-Top Strahlprofil hat hierbei den Vorteil, dass eine homogene Bearbeitung eines Materials in einer Bearbeitungsebene möglich ist. Insbesondere hat ein Flat-Top Strahlprofil den Vorteil, dass auch kompliziertere Strahlformen aus dem Flat-Top Strahlprofil geformt werden können, beispielsweise durch eine weitere Filterung in einer korrespondierenden Transformationsebene oder einer korrespondierenden Deflektor-Ebene.
Anstelle eines strahlformenden Elements 6 kann in der Figur 5A in der korrespondierenden Deflektor-Ebene E2 oder einer anderen korrespondierenden Deflektor-Ebene eine Strahlteilungseinheit 7 eingebracht sein.
Des Weiteren kann in einer korrespondierenden Deflektor-Ebene, beispielsweise die Ebene E3, auch eine Strahlablenkeinheit 9 angebracht werden, vorzugsweise ein sogenannter Galvano- Scanner, der den Laserstrahl ablenkt. Durch einen Galvano-Scanner wird typischerweise ein weiterer Versatz der Strahlen erzeugt, sodass beispielsweise der vorgegebene Winkelversatz vergrößert werden kann.
In Figur 5D sind die rückwärtigen Ebenen der Deflektor-Einheit 3 gezeigt, deren Bezeichner mit einem negativen Vorzeichen versehen sind. Auch in den rückwärtigen Transformationsebene beziehungsweise Deflektor-Ebenen können strahlformende Elemente 6, 7, 9 eingebracht werden, um so eine Strahlformung zu bewirken, bevor der Laserstrahl durch die Deflektor-Einheit 3 abgelenkt wird.
In den Figuren 6A bis 6C sind verschiedene gerasterte strahlformende Elemente 6 gezeigt, wohingegen in Figur 6D der zugehörige optische Aufbau gezeigt ist. Der Laserstrahl 20, beziehungsweise ein Teillaserstrahl 200, kann in ein spezifisches Rasterelement des gerasterten strahlformenden Elements 6 geleitet werden. Beispielsweise ist in Figur 6A gezeigt, dass der Teillaserstrahl 200 nacheinander in drei verschiedene Rasterelemente geleitet wird, sodass die Teillaserstrahlen entsprechend den Rasterelementen beeinflusst werden. Insbesondere kann mit einer Multispot-Geometrie eine Strahlgeometrie erzeugt werden, bei der drei Teilstrahlen 200 gleichzeitig durch die drei verschiedenen gezeigten Rasterelemente hindurchtreten. Im Allgemeinen sind die Rasterelemente im Gegensatz zu klassischen Strahlformungselementen in oder nahe an T ransformationsebenen angeordnet.
In Figur 6B ist ein strahlformendes Element 6 gezeigt, wobei ein Teillaserstrahl 200 oder ein Laserstrahl 20 oder eine Multispot-Geometrie auf mehrere Rasterelemente des gerasterte strahlformenden Elements 6 geleitet werden. Beispielsweise kann diese Rasterung durch die Pixelzellen eines räumlichen Lichtmodulators gegeben sein. Eine Rasterung kann aber durch eine Gruppierung von Pixelzellen und Pixelbereiche vorgenommen werden. Durch jedes Rasterelement, beziehungsweise jeden Pixel, kann die Phasen-, Intensitäts- oder Polarisationskomponente des Laserstrahls 20 beeinflusst werden. Somit ist es möglich, dass durch Ansteuerung der verschiedenen Pixelelemente das Strahlprofil des Laserstrahls 20 manipuliert wird. Beispielsweise kann durch eine solche Manipulation aus einem Gauß'schen Strahlprofil ein Laserstrahl mit Flat- Top Strahlprofil erzeugt werden.
In Figur 6C ist ein gerastertes strahlformendes Element 6 gezeigt, wobei jedes Rasterelement eine eigene Phasenmaske ist. Fällt der Laserstrahl 20 durch diese Phasenmaske, so lässt sich die Phasenfront des Laserstrahls 20 beeinflussen und somit sowohl die Ausbreitungsrichtung als auch das Strahlprofil, sowie die Phasenfront im Allgemeinen.
Insbesondere können in den gezeigten Figuren 6A bis 6C alle Rasterelemente individuell eingestellt werden, sodass jedes Rasterelement eine individuelle Strahlformung bewirkt. Beispielsweise kann ein Rasterelement aus einem Gauß'schen Strahlprofil ein Flat-Top Strahlprofil machen, während ein anderes Rasterelement eine elliptische Strahlform aufgeprägt, oder lediglich die Polarisation um einen gewissen Winkel dreht, oder den Laserstrahl 20 lediglich abschwächt, oder lediglich ablenkt, etc. Insbesondere können die Rasterelemente des strahlformenden Elements 6, wie beim räumlichen Lichtmodulator, auch gemeinsam oder einzeln ansteuerbar sein.
In Figur 6D ist der zugehörige optische Aufbau aus Figur 5A gezeigt, wobei das strahlformende Element 6 hierbei in der Ebene F2 angeordnet ist aber alternativ auch in der Ebene F1 angeordnet sein kann.
In den Figuren 7A bis 7D ist gezeigt, wie die Periodizität des elektronischen Steuersignals des Steuergeräts die Ablenkung des einfallenden Laserstrahls 20 in einen akustooptischen Deflektor 30, 32 bestimmt. Hierzu ist stellvertretend für den akustooptischen Deflektor 30, 32 die akustische Welle in dem optischen Material des akustooptischen Deflektors 30, 32 gezeigt, welche eine Periodizität aufweist, welche die Frequenz des elektronischen Steuersignals aufweist. In Figur 7A ist eine akustische Welle in einem akustooptischen Deflektor 30, 32 gezeigt. Beispielsweise ist der akustooptische Deflektor ein sogenannter Wanderwellenmodulator. Die akustische Welle weist eine sehr kleine Periodizität auf, beziehungsweise eine hohe Raumfrequenz. Der einfallende Laserstrahl 20 wird an dem dadurch entstehenden optischen Gitter gebeugt, wobei die nullte Beugungsordnung durch eine Blendenvorrichtung (nicht gezeigt) aus dem Strahlengang entfernt wird (gekennzeichnet durch ein Kreuz). Im Strahlengang verbleibt der mit einem Beugungswinkel a von der nullten Beugungsordnung weg gebeugte Teilstrahl 200. Der Teilstrahl 200 trifft dann (nach durchlaufen einer nicht eingezeichneten optischen Komponente) auf das gerasterte strahlformende Element 6 in der Transformationsebene, wobei der Teilstrahl 200 auf ein spezifisches Rasterelement gelenkt wird.
In Figur 7B ist derselbe Aufbau wie in Figur 7A gezeigt, jedoch ist die Periodizität des optischen Gitters deutlich größer, wodurch die Raumfrequenzen kleiner ist. Der aufgeprägte Beugungswinkel a ist daher deutlich kleiner im Vergleich zu Figur 7A, wodurch der Teilstrahl 200 näher zur nullten Beugungsordnung verläuft. Dementsprechend wird der Teilstrahl 200 auf ein anderes spezifisches Rasterelement gelenkt, als in Figur 7A.
In Figur 7C ist propagiert die akustische Welle, die das optische Gitter erzeugt, von links nach rechts, während der Laserstrahl 20 auf das Gitter fällt. Im vorliegenden Fall werden die Abstände des optischen Gitters für die Auftrefforte des Laserstrahls mit zunehmender Zeit kleiner, was bedeutet das die Periodizität des optischen Gitters abnimmt, und somit die Raumfrequenzen zunehmen. Die Abstandsvariation des optischen Gitters erfolgt hierbei beispielsweise kontinuierlich, sodass der Teilstrahl über das gerasterte strahlformende Element 6 verschoben werden, wobei der Teilstrahl mehrere Rasterelemente überstreicht. Insbesondere kann jedoch durch eine Abstimmung der Laserpulse mit dem Wellenfeld, auch eine diskrete Ansteuerung der Rasterelemente erreicht werden, siehe unten. Es sei angemerkt, dass bei der Anwendung ultrakurzer Laserpulse die Beugungsstruktur für die Propagationszeit des Pulses durch den Deflektor als zeitlich konstant angesehen werden kann.
In Figur 7D ist dieselbe Vorrichtung wie in 7A bis 7C gezeigt, wobei die akustische Welle nun nicht kontinuierlich in ihrer Periodizität variiert wird, sondern von einer sehr kleinen Periodizität auf eine sehr große Periodizität springt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass durch das Steuergerät 5 plötzlich ein Steuersignal mit einer anderen Frequenz an den akustooptischen Deflektor 30, 32 angelegt wird. Die Variation der Periodizität erfolgt für den einfallenden Laserstrahl 20 auf dem optischen Gitter plötzlich, sodass der Teilstrahl 200 von einem Rasterelement auf ein anderes Rasterelement springt. Hierbei werden die zwischen den Start- und Zielrasterelementen liegenden Rasterelemente nicht überstrichen.
Insbesondere kann das Wechseln der Frequenz mit dem gepulsten Laser synchronisiert werden, so dass der Frequenzwechsel im akustooptischen Deflektor 30, 32 gerade dann stattfindet, wenn kein Laserpuls vom Ultrakurzpulslaser abgegeben wird.
Bei der Synchronisation der angelegten Frequenz beziehungsweise dem akustischen Feld im akustooptischen Deflektor mit dem Laser müssen jedoch die Spezifikationen der verschiedenen verwendeten Vorrichtungen, insbesondere dem Laser und der Frequenzquelle der akustooptischen Deflektor-Einheit berücksichtigt werden. Beispielsweise weist eine longitudinale akustische Welle in Quarz (also im akustooptischen Deflektor) typischerweise eine Geschwindigkeit von 5700 m/s auf. Das akustische Feld hat eine Ausdehnung von 3-5mm, so dass ein Wechsel des gesamten akustischen Feldes in weniger als 1 ps bewerkstelligt ist (so lange benötigt das akustische Feld, um sich 5mm auszubreiten). Ein Wechsel der Frequenz innerhalb des akustischen Feldes, beispielsweise zur Formung des Strahls, ist innerhalb von deutlich weniger als 1 ms bewerkstelligt, beispielsweise in weniger als 100ns.
Die Laserpulse und die akustischen Felder müssen zur Synchronisation demnach bevorzugt auf weniger als 20ns genau aufeinander synchronisiert werden. Die Frequenzen zum Betrieb der akustooptischen Deflektor-Einheit liegen im Bereich von 1 MHz bis 500 MHz, wobei die Umschaltzeiten der Frequenzen typischerweise bei 200MHz bei weniger als 500ns liegen. Die Repetitionsraten des Lasers liegen typischerweise im Bereich kleiner 100MHz.
In Figur 9 ist eine weitere Ausführungsformen der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei die Vorrichtung 1 eine Vorschubvorrichtung 10 aufweist, auf der ein zu bearbeitendes Material 11 befestigt werden kann. Insbesondere kann mit der Vorschubvorrichtung 10 das Material in die bildseitige Brennebene der Bearbeitungsoptik gebracht werden, so dass die Laserstrahlen, die durch das optische System beeinflusst werden, in das Material 11 eingebracht werden können. Durch das Einbringen der Laserstrahlen 20 in das Material 11 kann eine den Laserstrahlen 20 beziehungsweise der Laserstrahlgeometrie entsprechende Bearbeitung des Materials 11 vorgenommen werden.
Zu diesem Zweck kann die Vorschubvorrichtung 10 das auf ihr gehaltene Material 11 relativ zum Laserstrahl bewegen, wodurch der Laserstrahl über das Material geführt wird. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung entlang einer spezifischen Vorschubtrajektorie mit einem Vorschub geführt werden, sodass die Laserenergie entlang dieser Vorschubtrajektorie in das Material eingebracht wird.
Des Weiteren kann die Vorschubvorrichtung 10 mit der Steuervorrichtung 5 in Verbindung stehen, sodass die Steuervorrichtung 5 und die Vorschubvorrichtung 10 Steuersignale austauschen können.
Insbesondere kann dadurch die Vorschubtrajektorie abgefahren werden, während synchron dazu mit der akustooptischen Deflektor-Einheit 3 die Laserstrahlen abgelenkt werden können, durch strahlformende Elemente 6, 7, 8 geleitet werden können und die so manipulierten Laserstrahlen in das Material 11 abgebildet werden können, um auf diese Weise eine Bearbeitung des Materials 11 zu erreichen.
Um diese Prozesse zu synchronisieren kann beispielsweise der Laser 2 ein gepulster Laser sein, der eine Grundfrequenz, die sogenannte Seed-Frequenz, aufweist. Die Seed-Frequenz kann an die Steuervorrichtung 5 weitergegeben werden, wodurch in der gesamten Vorrichtung 1 eine gemeinsame Zeitbasis zur Verfügung gestellt werden kann. Die Steuervorrichtung 5 ist nun in der Lage die verschiedenen Prozesse oder Prozessschritte in den einzelnen dynamisch belegbaren Untereinheiten der Vorrichtung 1 zu koordinieren.
Beispielsweise ist es dadurch möglich, den Strahlversatz durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück 11 und Bearbeitungsoptik 9 zwischen zwei Pulsen in der Brennebene der Bearbeitungsoptik zu kompensieren und dann, bevorzug zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, auf dem Werkstück umzupositionieren.
Alternativ kann beispielsweise ein vorgegebener Strahlversatz zwischen zwei Laserpulsen auch in Verbindung mit trägheitsbeaufschlagten Vorschubeinheiten realisiert werden. Trägheitsbedingt kann sich beispielsweise der Abstand der Auftrefforte im Material 11 der Laserpulse abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit verändern, wie in Figur 10A gezeigt. Dieses Verhalten ist insbesondere problematisch in Kurven oder Ecken der Vorschubtrajektorie, wo unter Nutzung trägheitsbeaufschlagter Vorschubeinrichtungen typischerweise die Vorschubgeschwindigkeit reduziert wird. Bei einer fixen Repetitionsfrequenz des gepulsten Lasers wird daher der Abstand der Laserpulse variiert, was zu einer inhomogenen Bearbeitung des Materials 11 führen kann.
Die Vorschubgeschwindigkeitsvariationen können mit der Deflektor-Einheit 3 kompensiert werden, wie in Figur 10 B gezeigt, sodass Laserpulse in einem fest definierten Abstand in das Material 11 eingebracht werden können. Dadurch ist eine deutlich gleichmäßigere Bearbeitung möglich, insbesondere wird dadurch eine ungewollte Überlappung der Pulse und ein Überhitzen des Materials 1 1 vermieden.
Es versteht sich von selbst, dass die Überlagerung der nicht durch Trägheit limitierten Positionierung mittels einer Deflektor-Einheit 3, mit weiteren trägheitsaufweisenden Vorschub oder Strahlbewegungseinheiten nicht nur die beispielhaft erläuterte Kompensation eine Relativbewegung oder Änderung der Geschwindigkeit der Relativbewegung ermöglicht, sondern eine kontrollierte Positionierung aufeinanderfolgender Pulse im oder auf dem Werkstück erlaubt, wobei damit ein gegenüber dem mittels der Deflektor-Einheit allein abzudeckendem Arbeitsfeld ein skaliertes Bearbeitungsfeld adressierbar wird. Um eine solche Kompensation oder kontrollierte Positionierung zu gewährleisten kann die Vorschubvorrichtung 10 mindestens einen Achsencoder 100 aufweisen, wobei der Achsencoder 100 mit der Steuervorrichtung 5 verbunden ist. Aus dem Achsencoder 100 kann die Steuervorrichtung 5 die Achsencoder-Position auslesen, die mit der momentanen Position beziehungsweise Ausrichtung der Vorschubvorrichtung 10 korreliert ist. Insbesondere kann die Achsencoder-Position synchron zur Grundpulsfrequenz des Lasers 2 ausgelesen werden.
In dem die momentane Position und die genaue Zeit der Vorschubvorrichtung 10 der Steuervorrichtung 5 nun bekannt sind, kann die Steuervorrichtung 5 einen entsprechenden Positionsfehler errechnen und über eine Ansteuerung der Deflektor-Einheit 3 kompensieren, indem der Laserstrahl umpositioniert wird. Dementsprechend wird der Positionsfehler der Vorschubvorrichtung 10 durch eine Anpassung des Steuersignals an die Deflektor-Einheit 3 kompensiert. Durch die überlagerte trägheitslose Strahlpositionierung mit der Deflektor-Einheit 3 kann somit die Variation der Pulsfrequenz des gepulsten Lasers 2 vermieden werden und so der Materialdurchsatz optimiert 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.
1 Vorrichtung
2 Laser
20 Laserstrahl
200 Teillaserstrahl
3 pulsgenauer Deflektor-Einheit
30 erster pulsgenauer Deflektor
300 Eintrittsöffnung
302 nullte Beugungsordnung
304 erste Beugungsordnung
32 zweiter pulsgenauer Deflektor
320 Eintrittsöffnung
322 nullte Beugungsordnung
324 erste Beugungsordnung
34 Filterelement
4 Transformationsoptikanordnung
4‘ weitere Transformationsoptikanordnung
40 erste Komponente
400 erste Brennweite
42 zweite Komponente
420 zweite Brennweite 5 Steuervorrichtung
6 strahlformendes Element
7 Strahlteilungseinheit
8 Strahlablenkeinheit 9 Bearbeitungsoptik
90 Bearbeitungsebene
10 Vorschub
100 Achsenencoder
11 Material E1 vordere Deflektor-Ebene
E2 korrespondierende Deflektor-Ebene
F1 Transformationsebene
F2 korrespondierende Transformationsebene

Claims

37
Ansprüche
1 . Vorrichtung (1) zur Beeinflussung eines Laserstrahls (20) eines Ultrakurzpulslasers (2), umfassend eine pulsgenaue Deflektor-Einheit (3), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) in mindestens einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken, gekennzeichnet durch eine Transformationsoptikanordnung (4) mit mindestens zwei Komponenten (40, 42), die der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) nachgelagert ist, die dazu eingerichtet ist eine Ortsablenkung und/oder Winkelablenkung des Laserstrahls (20) durch die pulsgenaue Deflektor-Einheit mit einer Orts-zu-Winkel und/oder einer Winkel-zu-Orts-Transformation in eine Winkelablenkung und/oder eine Ortsablenkung zu transformieren und/oder zurück zu transformieren, und eine Bearbeitungsoptik (9), die der Transformationsoptikanordnung nachgelagert ist und dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (20) in die bildseitige Brennebene (90) der Bearbeitungsoptik (9) zu führen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die pulsgenaue Deflektor-Einheit (3) einen ersten pulsgenauen Deflektor (30) umfasst, wobei der Laserstrahl (20) in den Eingang des ersten pulsgenauen Deflektors (30) einkoppelt und der erste pulsgenaue Deflektor (30) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) in eine erste Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken und ihm dadurch bevorzugt einen Winkelversatz (a) aufzuprägen.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsgenaue Deflektor-Einheit (3) einen zweiten pulsgenauen Deflektor (32) umfasst, wobei der Laserstrahl (20) nach dem Durchlaufen des ersten pulsgenauen Deflektors (30) in den Eingang des zweiten pulsgenauen Deflektors (32) mit dem aufgeprägten ersten Winkelversatz (a) einkoppelt und der zweite pulsgenaue Deflektor (32) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) in eine zweite Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung abzulenken, die bevorzugt senkrecht zur ersten Richtung ist, und ihm dadurch bevorzugt einen zweiten Winkelversatz (ß) zusätzlich zum ersten Winkelversatz (a) aufzuprägen. 38 Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsgenauen Deflektoren der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) akustooptische Deflektoren sind. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein akustooptischer Deflektor (30, 32) einen Phased-Array-Transducer umfasst und bevorzugt über einen breiten Ausgangsbereich, bevorzugt von mindestens 0,05°, eine Beugungseffizienz von über 75% aufweist. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten pulsgenauen Deflektor (30) und vor dem zweiten pulsgenauen Deflektor (32) der Laserstrahl (20) in eine Polarisationsdreheinrichtung einkoppelt, die dazu eingerichtet ist die Polarisation des Laserstrahls (20) zu drehen. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsgenaue Deflektor-Einheit (3) ein Filterelement (34) umfasst, wobei das Filterelement (34) zwischen dem ersten (30) und dem zweiten pulsgenauen Deflektor (32) angeordnet ist und das Filterelement (34) bevorzugt dazu eingerichtet ist, die nullte Beugungsordnung (302) des ersten akustooptischen Deflektors (30) herauszufiltern, und/oder das Filterelement (34) nach dem zweiten pulsgenauen Deflektor (32) angeordnet ist und das Filterelement (34) bevorzugt dazu eingerichtet ist, die nullte Beugungsordnung (322) der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) nach dem zweiten pulsgenauen Deflektor herauszufiltern (32), und/oder wobei die pulsgenaue Deflektor-Einheit (3) eine weitere Transformationsoptikanordnung (4‘) mit zwei Komponenten (40‘, 42‘) aufweist, die dazu eingerichtet ist eine Ortsablenkung und/oder Winkelablenkung des Laserstrahls mit einer Orts-zu-Winkel und/oder einer Winkel-zu-Orts-Transformation in eine Winkelablenkung und/oder eine Ortsablenkung zu transformieren und/oder zurück zu transformieren, wobei das Filterelement (34) in einer Transformationsebene (FT) der Transformationsoptikanordnung (4‘) angeordnet ist und das Filterelement (34) bevorzugt dazu eingerichtet ist die nullte Beugungsordnung herauszufiltern.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationsoptikanordnung (4) eine Fourieroptikanordnung ist, wobei der Ausgang (E1) der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) zwischen der ersten Komponente (40) und der objektseitigen Brennebene der ersten Komponente (40) angeordnet ist, die bildseitige Brennebene (F1) der ersten Komponente (40) mit der objektseitigen Brennebene der zweiten Komponente (42) zusammenfällt, und der Ausgang (E1) der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) zwischen der abschließenden Komponente, bevorzugt der zweiten Komponente (42), und der bildseitigen Brennebene der abschließenden Komponente abgebildet wird, und der Laserstrahl (20) in der bildseitigen Brennebene der zweiten Komponente (42) entsprechend der Ablenkung durch die pulsgenaue Deflektor-Einheit (3) ablenkbar ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlformungselement (6) in einer korrespondierenden Deflektor-Ebene (E2) angeordnet ist oder in einer Transformationsebene (F1) oder in einer korrespondierenden Transformationsebene (F2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl (20) eine Intensitätsverteilung und/oder Phasenverteilung und/oder Polarisationsverteilung aufzu prägen.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlteilungseinheit (7), bevorzugt eine diffraktive Strahlteilungseinheit, in einer korrespondierenden pulsgenauen Deflektor-Ebene (E2) oder in einer Transformationsebene (F1) oder in einer korrespondierenden Transformationsebene (F2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, den Winkelversatz der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) anzupassen.
11 . Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlablenkeinheit (8), bevorzugt ein Galvano-Scanner, in einer korrespondierenden pulsgenauen Deflektor-Ebene (E2) oder in einer Transformationsebene (F1) oder in einer korrespondierenden Transformationsebene (F2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) abzulenken. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Scanner, bevorzugt ein Piezoscanner, dazu eingerichtet ist, das strahlformende Element (6) und/oder die Strahlteilungseinheit (7) und/oder die Strahlablenkeinheit (8) senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung zu bewegen, wobei die Strahlablenkung der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) und die Bewegung des Scanners synchron aufeinander angepasst sind. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlbereinigungselement, bevorzugt eine Blende, in einer korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet ist. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gerastertes Strahlformungselement in einer korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet ist, wobei bevorzugt jedes Rasterelement ein einzelnes strahlformendes Teilelement ist. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (5) zur Steuerung der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, die Ablenkung des einfallenden Laserstrahlen (20) so zu bewirken, dass jeder Puls des Laserstrahls (20) auf ein anderes Rasterelement des gerasterten strahlformenden Elements (6) trifft oder der Laserstrahl (20) zu einem bestimmten Rasterelement gelenkt wird oder der Laserstrahl (20) mehrere Rasterelemente überstreicht, oder eine Mehrzahl von Teillaserstrahlen (200) gezielt zu mehreren Rasterelementen geführt werden. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (9) zusammen mit dem abschließenden Element der Transformationsoptikanordnung, bevorzugt dem zweiten Element (42), ein Teleskop mit verkleinernder Wirkung, besonders bevorzugt mit großer numerischer Apertur und kurzer Brennweite, ausgestaltet ist und/oder als transmissive oder reflektive Optik ausgebildet ist. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorschubvorrichtung (10) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, ein zu bearbeitendes Material (11) aufzunehmen, in der bildseitigen Brennebene (90) der Bearbeitungsoptik (9) anzuordnen und das Material (11) relativ zum Laserstrahl (20) zu bewegen, wodurch der Laserstrahl (20) über das Material (11) geführt wird. Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubvorrichtung (10) zum Austausch von Steuersignalen mit einer Steuervorrichtung (5) verbunden ist, und die Steuervorrichtung (5) dazu eingerichtet ist, die Position der
Vorschubvorrichtung (10) relativ zur Ansteuerung der pulsgenauen Deflektor-Einheit (3) anzupassen. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubvorrichtung (10) mindestens einen Achsencoder (100) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (5) dazu eingerichtet ist, die Achsencoder-Position auszulesen, der Laser (2) dazu eingerichtet ist an die Steuervorrichtung (5) die Grundfrequenz für den steuernden Takt zur Ablenkung des Laserstrahls (20) durch die pulsgenaue Deflektor- Einheit (3) und zum Auslesen der Achsencoder-Position anzugeben, wobei die Steuervorrichtung (5) dazu eingerichtet ist aus der derzeitigen Achsencoder- Position in Echtzeit ein Positionsfehler für den nachfolgenden Puls errechnet wird, wobei die Steuervorrichtung (5) den Positionsfehler durch die Anpassung des Steuersignals der akustooptischen Deflektor-Einheit (3) korrigiert.
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