对具有弯曲的表面的工件进行激光加工制造技术

披露了一种用于借助激光束(3)对工件(9)进行材料加工的方法，其中工件(9)包括对激光束(3)在很大程度上透明的材料并且具有弯曲的表面(9A)。该方法包括以下步骤：对激光束(3)进行射束成形(步骤101)，以便在工件(9)的材料中形成细长的聚焦区域(7)，其中，射束成形是通过衍射光学器件和/或折射光学器件的布置执行的，并且包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对具有弯曲的表面的工件进行激光加工


[0001]本专利技术涉及一种用于借助激光束对具有弯曲的表面的工件(比如玻璃管或玻璃柱)进行材料加工的方法。此外，本专利技术涉及一种光学系统和一种包括光学系统的激光加工设备。

技术介绍

[0002]在对激光辐射基本上透明并且在本文中被称为透明材料的材料进行激光加工期间，激光辐射可以用于在材料中产生修改(Modifikation)。在透明材料的情况下，在材料的体积中发生的激光辐射的吸收(简称体积吸收)可以实现材料的结构的细长的(langgezogene)修改。材料的结构中的修改可以例如用于钻孔、用于通过所引发的应力进行分离、用于实现折射性能的修改、或用于选择性激光蚀刻。在这方面，例如参见申请人的申请WO 2016/079062 A1、WO 2016/079063 A1和WO 2016/079275 A1。
[0003]在这方面，例如，用于分离玻璃的基于超短脉冲激光的玻璃修改过程通常以比如在非衍射射束中存在的细长的聚焦分布进行。这种细长的聚焦分布例如由于从外部进入的射束部分的干涉而形成，并且可以在材料中形成细长的修改，如例如类贝塞尔射束就是这种情况。
[0004]例如在引用的WO 2016/079275 A1中描述了射束成形元件和光学装置，利用该射束成形元件和光学装置可以提供在射束传播方向上是细长的并且具有高纵横比的细射束轮廓以用于激光加工。

技术实现思路

[0005]本披露内容的一个方面基于的目的是，实现利用细长的聚焦区域对具有弯曲的表面的工件进行激光加工(比如对玻璃管或玻璃柱进行激光加工)。尤其，比如已经为平面工件的激光加工而开发的射束成形方法应变得也可用于具有弯曲的表面的工件。本披露内容的在另一方面中基于说明如下方法的目的，通过该方法可以将经激光加工的本体/空心本体分离成两个部分。
[0006]这些目的中的至少一个是通过根据权利要求1所述的用于对工件进行材料加工的方法、根据权利要求16所述的光学系统以及通过根据权利要求21所述的激光加工设备来实现的。从属权利要求中说明了扩展方案。
[0007]一个方面披露了使用脉冲激光束、特别是使用超短激光脉冲对工件进行材料加工的方法，其中，工件包括对激光束在很大程度上透明的材料并且具有弯曲的表面。该方法包括以下步骤：
[0008]对激光束进行射束成形，以便在工件的材料中形成细长的聚焦区域(尤其是在传播方向上/沿射束轴细长的)，其中射束成形是通过衍射光学器件、反射光学器件和/或折射光学器件的布置执行的。射束成形包括：
[0009]‑
形成聚焦的射束成形，该形成聚焦的射束成形使射束部分以相对于激光束的射
束轴的进入角进入，以通过干涉在工件中形成沿着射束轴的细长的聚焦区域，以及
[0010]‑
校正相位的射束成形，该校正相位的射束成形抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响，以及
[0011]调设激光束的射束参数，其方式为使得工件的材料在细长的聚焦区域中被修改。
[0012]在另一方面中披露了用于对脉冲激光束、特别是超短激光脉冲进行射束成形以用于在具有弯曲的表面的工件中形成聚焦区域的光学系统，其中聚焦区域以沿激光束的射束轴细长的方式形成。光学系统包括聚焦形成光学器件，该聚焦形成光学器件使射束部分以相对于激光束的射束轴的进入角进入，以通过干涉在工件中实现沿着射束轴的细长的聚焦区域。抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响的相位校正通过相位校正光学器件提供或集成到聚焦形成光学器件中。换言之，光学系统包括相位校正光学器件，该相位校正光学器件实现抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响的相位校正，或者这种相位校正被集成到聚焦形成光学器件中。
[0013]在另一方面中披露了一种激光加工设备，该激光加工设备用于借助脉冲激光束、特别是使用超短激光脉冲通过在激光束的聚焦区域中对工件的材料进行修改来对工件进行加工，其中聚焦区域沿着激光束的射束轴以细长的方式形成，并且工件包括对激光束在很大程度上透明的材料并具有弯曲的表面。激光加工设备包括输出激光束的激光束源、如上所述的光学系统和用于支承工件的工件保持件。
[0014]在该方法的一些扩展方案中，弯曲的表面可以在一个方向上弯曲，并且对激光束进行射束成形可以包括在激光束上施加至少一个二维相位分布，以便在工件的材料中形成细长的聚焦区域，其中，至少一个相位分布可以包括
[0015]‑
用于形成聚焦的射束成形的第一相位贡献，这些第一相位贡献使射束部分以进入角进入(并且特别是产生非衍射射束，以在工件中形成沿射束轴的细长的聚焦区域)，以及
[0016]‑
用于校正相位的射束成形的第二相位贡献，这些第二相位贡献中和(aufheben)由激光束在进入工件时局部累积的进入相位。
[0017]在该方法的一些扩展方案中，可以针对在射束轴在表面上的照射点处的、射束轴的沿表面的法线方向的定向来确定局部累积的进入相位，并且可以考虑到进入角、表面在照射点处的曲率半径以及
‑
工件的折射率。
[0018]通常，照射点在本文中被理解为是指激光束的光轴与工件(例如待加工的衬底)之间的交点。
[0019]在该方法的一些扩展方案中，第二相位贡献可以形成相对于对称轴轴对称的相位分布，其中第二相位贡献平行于对称轴是恒定的并且垂直于对称轴变化。该方法还可以具有以下步骤：
[0020]将轴对称的相位分布和工件相对于彼此定向，其方式为使得考虑到在施加轴对称的相位分布的位置与工件之间的射束路径的情况下对称轴相对于定义表面的曲率半径的平面正交地延伸。
[0021]在该方法的一些扩展方案中，可以通过衍射光学射束成形元件将第一相位贡献和/或第二相位贡献施加到激光束的横向射束轮廓上，其中衍射光学射束成形元件具有相互邻接的面元件，这些面元件构建平面光栅结构，在该平面光栅结构中，每个面元件被分配
相移值，并且其中这些相移值实现第一相位贡献和/或第二相位贡献。
[0022]在一些扩展方案中，该方法还可以包括以下步骤：
[0023]沿着光学系统的射束路径将激光束辐射到表面上，该光学系统将激光束成像到工件的材料中，以便形成细长的聚焦区域，和/或
[0024]相对于表面的法线方向定向激光束的射束轴，其方式为使得射束轴在围绕法线方向5
°
的角度范围内、优选沿着法线方向照射在表面上。
[0025]在该方法的一些扩展方案中，校正相位的射束成形可以通过位于光学器件的前方或后方的柱透镜产生，该光学器件在激光束的射束路径中实现形成聚焦的射束成形。柱透镜可以具有与工件的表面的曲率半径相匹配的曲率半径。
[0026]如果考虑到在执行用于材料加工的方法时，细长的聚焦区域已经在工件的进入表面的前方(Δz大于0)开始，或者细长的聚焦区域的起点落在工件中(Δz小于0)，则这得到柱透镜的表面的曲率半径的以下近似定义，其对应于以下每种情况下针对Δz＝0呈现的条件：
[0027]实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于借助脉冲激光束(3)对工件(9)进行材料加工的方法，其中，所述工件(9)具有对所述激光束(3)在很大程度上透明的材料与弯曲的表面(9A)，所述方法具有以下步骤：对所述激光束(3)进行射束成形(步骤101)，以便在所述工件(9)的所述材料中构造细长的聚焦区域(7)，其中，所述射束成形借助衍射光学器件、反射光学器件和/或折射光学器件的布置执行并且包括：
‑
形成聚焦的射束成形(步骤101A)，所述形成聚焦的射束成形实现：射束部分(3A)以进入角(δ')进入到所述激光束(3)的射束轴(5)上，以通过干涉在所述工件(9)中沿着所述射束轴(5)构造所述细长的聚焦区域(7)，以及
‑
校正相位的射束成形(步骤101B)，所述校正相位的射束成形抵消通过所述激光束(3)进入所述工件(9)中产生的干涉的影响，以及如此调设(步骤105)所述激光束(3)的射束参数，使得所述工件(9)的材料在所述细长的聚焦区域(7)中被修改。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲的表面(9A)在一个方向上弯曲，并且对所述激光束(3)进行射束成形包括在所述激光束(3)上施加至少一个二维相位分布(PHI_BESSEL，PHI_CYL，PHY_total)，以便在所述工件(9)的所述材料中构造细长的聚焦区域(7)，其中，所述至少一个相位分布(PHI_BESSEL，PHI_CYL，PHY_total)包括：
‑
用于所述形成聚焦的射束成形的第一相位贡献(25A)，所述第一相位贡献实现：射束部分(3A)以所述进入角(δ')进入，所述第一相位贡献尤其产生非衍射射束，以用于在所述工件中沿所述射束轴构造所述细长的聚焦区域，以及
‑
用于所述校正相位的射束成形的第二相位贡献(25B)，所述第二相位贡献中和由所述激光束(3)在进入所述工件(9)时局部累积的进入相位。3.根据权利要求2所述的方法，其中，针对在所述射束轴(5)照射到所述表面(9A)上的照射点(P)处的、所述射束轴(5)沿所述表面(9A)的法线方向(N)的定向来确定所述局部累积的进入相位，所述局部累积的进入相位考虑：
‑
所述进入角(δ'),
‑
所述表面(9A)在所述照射点(P)处的曲率半径(Rw)以及
‑
所述工件(9)的折射率(nw)。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第二相位贡献(25B)构造相对于对称轴(S)轴对称的相位分布，其中，所述第二相位贡献平行于所述对称轴(S)是恒定的并且垂直于所述对称轴(S)变化，所述方法还具有步骤：使所述轴对称的相位分布和所述工件(9)彼此如此定向(步骤103)，使得，在考虑到在施加所述轴对称的相位分布的位置与所述工件(9)之间的射束路径(13)的情况下，所述对称轴(S)相对于以下平面正交地延伸：在所述平面中定义所述表面(9A)的曲率半径。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，借助衍射光学射束成形元件(15)将所述第一相位贡献(25A)和/或所述第二相位贡献(25B)施加到所述激光束(3)的横向射束轮廓上，其中，所述衍射光学射束成形元件(15)具有相互邻接的面元件(15A)，所述面元件构建平面光栅结构，在所述平面光栅结构中，为每个面元件(15A)分配一个相移值，其中，所述相移值实现所述第一相位贡献(25A)和/或所述第二相位贡献(25B)。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，还具有：
沿光学系统的射束路径(13)将所述激光束(3)辐射(步骤107A)到所述表面(9A)上，所述光学系统将所述激光束(3)成像到所述工件(9)的所述材料中，以用于构造所述细长的聚焦区域(7)，和/或使所述激光束(3)的所述射束轴(5)相对于所述表面(9A)的法线方向(N)如此定向(步骤107B)，使得所述射束轴(5)在围绕所述法线方向(N)的5
°
的角度范围内照射到所述表面(9A)上。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述校正相位的射束成形通过在所述激光束(3)的射束路径中定位在实现所述形成聚焦的射束成形的光学器件(27，31)的前方或后方的柱透镜(35，35')产生。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述柱透镜(35，35')具有与所述工件(9)的所述表面(9A)的曲率半径相匹配的曲率半径，使得对于所述柱透镜(35，35')的曲率半径Rz适用：
‑
在通过使用参数a＝5060mm
‑2和b＝9645mm
‑1以及所述细长的聚焦区域(7)的起点在传播方向上在所述弯曲的表面(9A)的前方的位移Δz，将所述细长的聚焦区域(7)的起点定位在所述弯曲的表面(9A)的前方的情况下：
‑
在通过使用参数c＝284mm
‑1和d＝590以及所述细长的聚焦区域(7)的起点在所述弯曲的表面(9A)的前方的位移Δz，将所述细长的聚焦区域(7)的起点在传播方向上定位在所述弯曲的表面(9A)的后方的情况下：
‑
在将所述细长的聚焦区域(7)的起点定位在所述弯曲的表面(9A)上的情况下：Rz≈(
‑
1)Rw M2(nz
‑
1)/(nw
‑
1)其中，nz：所述柱透镜(35，35')的折射率，Rw：所述表面(9A)的曲率半径Ra，nw：所述工件(9)的所述材料的折射率，以及M：所述形成聚焦的射束成形的位置与所述工件(9)之间的射束路径的成像因子。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助在输出激光束(3')的横向射束轮廓上施加二维相位分布进行的所述激光束(3)的射束成形借助以下元件执行：
‑
衍射光学射束成形元件(27)，所述衍射光学射束成形元件具有二维布置中固定调设的或可调设的相位值；或
‑
尤其是可变形的柱面反射镜与轴锥镜(31)的组合；或
‑
柱透镜(35，35')与轴锥镜(31)的组合；或
‑
柱透镜(35，35')或尤其是可变形的柱面反射镜与衍射光学射束成形元件(27)的组合，所述衍射光学射束成形元件具有二维布置中固定调设的或可调设的相位值，所述衍射光学射束成形元件构造用于施加相位分布、尤其是类贝塞尔射束的相位分布，以用于构造所述细长的聚焦区域(7)。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光束(3)的射束成形借助单个光学器件执行，所述单个光学器件构造为折射自由形状光学元件或构造为混合光学元件、尤其由输入侧柱透镜和输出侧轴锥镜组成的光学单元。11.如前述权利要求中任一项所述的方法，还具有：在所述工件(9)与所述聚焦区域(7)之间实现(步骤109)相对运动，在所述相对运动的情况下，所述聚焦区域(7)沿着扫描轨迹(T)定位在所述工件(9)的所述材料中，使得将多个修改沿着所述扫描轨迹(T)写入所述工件(9)的材料中，其中，所述扫描轨迹(T)尤其是外轮廓或是所述工件(9)的表面上的闭合的内轮廓，所述外轮廓用于将所述工件(9)沿着所述工件(9)的纵轴划分成两个部分，所述闭合的内轮廓用于释放由所述内轮廓界定的区域。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述工件(9)构造为管、柱或者管或柱的一部分，如半管或半柱，所述相对运动包括所述工件(9)的旋转运动，其中，所述激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
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：