用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机技术

在根据本发明专利技术的用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的方法中，一个或多个UKP激光脉冲(5)穿过工件表面(11)被聚焦到激光可透过的工件(2)中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部(12)，其中，所述一个或多个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得熔化的改型部(12)的最上部刚好接触工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机
本专利技术涉及一种用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的方法。
技术介绍
具有小于10ps的脉冲持续时间的超短脉冲(UKP)激光辐射越来越多地被用于材料加工。借助UKP激光辐射进行材料加工的特点在于，激光辐射与工件的短的相互作用时间。借助超短(UKP)激光脉冲对激光可透过的玻璃进行激光焊接能够在没有附加材料投入的情况下实现稳定的连接，但受由激光感应的瞬态以及持久的电压限制。背景是借助超短激光脉冲局部地熔化材料。如果将超短激光脉冲聚焦到玻璃，例如石英玻璃的体积中，则在焦点中存在的高强度会导致非线性的吸收过程，由此，根据激光参数能够引起不同的材料改型部。如果时间上的脉冲间隔比玻璃的典型热扩散时间更短，则焦点区域中的温度逐脉冲地提高(所谓的热累积)并且能够导致局部熔化。如果将改型部置于两个玻璃的边界面中，则冷却的熔融物产生两个样品的稳定连接。由Richter的文章《走进无光学接触的玻璃激光焊接》(应用物理2015)(“Towardlaserweldingofglasseswithoutopticalcontacting”(Appl.Phys.A2015))和Richter的论文《使用超短激光脉冲以高重复率对透明材料进行直接激光粘合》(耶拿大学)“Directlaserbondingoftransparentmaterialsusingultrashortlaserpulsesathighrepetitionrates”(FSUUniversityJena)已知，在激光接合时通过由激光引起的改型部来跨接两个彼此重叠的玻璃板之间的缝隙，所述改型部从一个接合配对的接合面拱曲直至与另一个接合配对的接合面材料锁合地连接。
技术实现思路
本专利技术提出以下任务，在激光可透过的工件上产生可重复的稳定的表面结构，尤其呈截球及其衍生物的形式，所述表面结构具有几μm的高度并且无需附加的下级结构，以及本专利技术给出一种适合于此的激光加工机。根据本专利技术，该任务通过一种用于借助呈UKP激光脉冲形式的脉冲激光束在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的方法来解决，其中，至少一个UKP激光脉冲穿过工件表面被聚焦到激光可透过的工件中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部，并且其中，所述至少一个UKP激光脉冲的脉冲参数和激光焦点在工件中的深度这样地选择，使得熔化的改型部的最上部刚好接触工件表面，并且工件表面由于熔化的改型部的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构。在唯一的UKP激光脉冲的情况下，根据本专利技术在没有热累积的情况下产生改型部，其中，脉冲能量必须匹配得非常好：如果该脉冲能量太低，则仅形成折射率改变；如果该脉冲能量太高，则感应的电压太高，并且全部裂开。特别优选地，多个UKP激光脉冲穿过工件表面被聚焦到激光可透过的工件中，以便在工件内部通过逐步地加热焦点体积来熔化改型部，其中，多个UKP激光脉冲的脉冲参数和激光焦点在工件中的深度这样地选择，使得熔化的改型部的最上部刚好接触工件表面，并且工件表面由于熔化的改型部的材料热膨胀向外拱曲成凸形的表面结构。根据本专利技术，多个超短激光脉冲以短时间的脉冲间隔聚焦到工件内部材料中；由于非线性的相互作用和相继的激光脉冲的热累积，焦点体积被加热，并且在工件中形成典型的液滴状改型部。如果正确地选择释放的能量(由脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲间隔、聚焦、波长给定)并且正确地放置改型部，则改型部的最上部刚好接触工件表面。然后，材料热膨胀引起使表面向外拱曲。在ns范围内的脉冲间隔的情况下，在工件中仍存在之前激光脉冲的余热，使得焦点体积被逐步加热。通过热扩散也加热周围的材料。由于高的局部温度而产生热电子(相应于玻尔兹曼分布)。存在的自由电子引起，使下一个激光脉冲不再强制性地依赖非线性的多光子过程。因此，吸收概率提高，并且下一个激光脉冲已经进一步在上面(朝工件表面或者说激光光学器件的方向)被吸收。因此，吸收点在该过程期间向上移动。由到周围材料中的热扩散决定地形成小液滴状的几何形状。当激光加热中断时，例如因为激光被关断，因为散射引起不再有能量到达，或因为激光焦点已经运动离开，熔化的材料再次凝固。因为凝固过程明显快于熔化过程，所以材料在更高的假想温度下冻结。该“改型部”(约100μm高和10μm宽，与材料和过程参数有关)容易具有与原始体积材料不同的特性。在熔化的改型部内存在径向的温度分布。近似地在内部极热(＞2000℃)而在外部接近室温。因此，材料的粘度也随着温度改变，即冷的外部材料相当坚硬，而热的内部材料则是液态的。此外，还存在玻璃随着温度升高而热膨胀。现在，如果在加热过程期间体积改型部被放到接近工件表面(如所说明的那样，改型部在过程期间向上生长)，则热的内部材料的热膨胀引起材料向外拱曲。同时，高粘度防止所有热材料都流向外。在这里，改型部的位置是非常关键的。如果太热的材料遇到工件表面，则粘度(和从而表面张力)不再足以防止热材料不受控地向外膨胀/爆炸。在不受控的爆炸时形成微丝线和许多不同的凝固形状。在材料的限定的拱曲部中，由于表面张力形成具有最小粗糙度的非常均匀的球形表面。在凝固时，材料状态被冻结。根据本专利技术，引入的激光能量这样地被控制并且激光焦点在材料中的深度(z位置)这样地设定，使得不会出现不受控的膨胀/爆炸(如火山那样)。而是，在给定脉冲数量和脉冲能量的情况下可以通过激光焦点的z位置非常精确地限定表面上的拱曲部的大小。根据本专利技术的方法涉及工件材料由体积成型为表面结构，而未附加地沉积或去除材料。熔化的材料的凝固过程由于表面张力而导致光滑或均匀的表面结构。优选地，聚焦到工件中的激光束的射束横截面相应于表面结构的所希望的横截面成型。通常，为此使用具有高数值孔径(NA>0.1)的物镜，以便实现必要的高能量密度，使得出现非线性吸收机制(多光子吸收、场电离或隧道电离)。如果具有足够脉冲能量的激光束可供使用，则为了在空间上的脉冲和射束成形(对所提及的物镜替代地或附加地)也可以使用射束成形元件，例如柱形透镜、SLM调制器(空间光调制器“spatiallightmodulator”)或衍射光学元件，以便在材料中产生其它改型部并且因此在表面上产生其它结构。因此，代替工件表面上的单个球拱曲部，也可以通过由多个拱曲部的按顺序构造来产生线形或面形的表面结构，例如“模糊绘出的”线、十字、钩等或棱锥结构。通过在空间上的射束成形(透镜阵列、衍射光学元件(DOE))实现用于同时构造多个表面结构的定标(Skalierung)，由此同时并排地产生多个激光点并且因此同时产生多个改型部和表面结构。优选激光焦点是点状或高斯状的或者垂直于射束轴线线形地延伸，以便在工件内部熔化具有球形上侧的、在纵截面中为液滴状的改型部。多个UKP激光脉冲可以具有恒定的脉冲间隔，例如最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns，或者以激光脉冲串的形式被聚焦到工件中。在后一种情况下，分别形成一个激光脉冲串射的UKP激光脉冲具有比两个激光脉冲串之间的脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于借助呈UKP激光脉冲(5)形式的脉冲激光束(3)在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的方法，其中，至少一个UKP激光脉冲(5)穿过工件表面(11)被聚焦到激光可透过的工件(2)中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部(12)，并且其中，所述至少一个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得熔化的改型部(12)的最上部刚好接触所述工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180103 DE 102018200029.81.一种用于借助呈UKP激光脉冲(5)形式的脉冲激光束(3)在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的方法，其中，至少一个UKP激光脉冲(5)穿过工件表面(11)被聚焦到激光可透过的工件(2)中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部(12)，并且其中，所述至少一个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得熔化的改型部(12)的最上部刚好接触所述工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个UKP激光脉冲(5)穿过所述工件表面(11)被聚焦到所述激光可透过的工件(2)中，以便在所述工件内部通过逐步加热所述焦点体积来熔化改型部(12)，并且所述多个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和所述激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得所述熔化的改型部(12)的最上部刚好接触所述工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个UKP激光脉冲(5)具有恒定的脉冲间隔。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述脉冲间隔为最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns。


5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个UKP激光脉冲(5)以激光脉冲串(13)的形式被聚焦到所述工件(2)中，其中，分别形成一个激光脉冲串(13)的所述UKP激光脉冲(5)具有比在两个激光脉冲串(13)之间的脉冲串间隔更小的脉冲间隔。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲串(13)具有最多10个UKP激光脉冲(5)、尤其最多5个UKP激光脉冲(5)，所述UKP激光脉冲具有最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns的脉冲间隔。


7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述脉冲串重复率在10kHz至10MHz之间、优选在100kHz至1MHz之间、特别优选约200kHz。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述UKP激光脉冲(5)具有0.1μJ...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·里希特，
申请(专利权)人：通快激光与系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE