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1. (WO2019043220) LASER MACHINING A TRANSPARENT WORKPIECE
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Laserbearbeituna eines transparenten Werkstücks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines transparenten Werkstücks durch Erzeugung nicht-linearer Absorption von Laserstrahlung in einem im Volumen des Werkstücks befindlichen Laserstrahlfokus.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines transparenten Werkstücks.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Werkstücke aus transparenten Materialien, wie z. B. Glas oder Quarz oder auch (unpigmentiertes) Körpergewebe, durch Laserstrahlung hoch präzise bearbeitet werden können. Dies erfolgt im Wege einer lokalisierten Energiedeponierung durch nicht-lineare Absorption in einem Laserstrahlfokus, der sich nicht (nur) an der Oberfläche, sondern an einer beliebigen Position im Volumen des Werkstücks befinden kann. In dem Laserstrahlfokus kommt es zu Mehrphotonenprozessen, z.B. in Form von Multiphotonenionisation oder Lawinenionisation, die zur Ausbildung eines Plasmas führen. Die Plasmabildungsrate nimmt oberhalb einer Schwelle, die von dem Material des Werkstücks und den Parametern der Laserstrahlung abhängt, stark zu. Man spricht daher auch von einem „optischen Durchbruch". Die dadurch bewirkte Modifikation und damit Bearbeitung des Materials weist eine hohe Präzision auf, da räumlich lokalisiert reproduzierbar geringe Energiemengen in das Material eingetragen werden können. Die gute räumliche Lokalisation wird in erster Linie durch Fokussierung der Laserstrahlung mittels einer möglichst aberrationsfreien Einkoppeloptik hoher numerischer Apertur erreicht. Insbesondere ist es auch möglich, die Lage und Form der

Energiedeponierung aufgabenspezifisch anzupassen. Dazu können z.B. Linsen mit geringer numerischer Apertur, Axikone oder Kombinationen daraus ebenso wie gezielt Aberrationen genutzt werden, um beispielsweise ausgedehnte Fokusvolumina in Laserpropagationsrichtung zu erzeugen.

Im Allgemeinen wird bei dieser Art der Materialbearbeitung durch nicht-lineare Absorption gepulste Laserstrahlung bestehend aus kurzen oder ultrakurzen Laserpulsen bei gleichzeitig hoher Pulsleistung verwendet. Dadurch lässt sich ein geringer Energieeintrag bei hoher Reproduzierbarkeit erreichen. Besonders vorteilhaft sind Laserpulse mit einer Pulsdauer im Bereich von einigen Femtosekunden bis zu wenigen Pikosekunden. Die Pulsenergie liegt meist im Bereich von einigen Mikrojoule, für ausgedehnte Fokusvolumina im Bereich von einigen 10-100 Mikrojoule oder sogar im Millijoulebereich.

Laserbasierte Materialbearbeitung wird im Stand der Technik z.B. dazu verwendet, Trennflächen oder Sollbruchstellen zum Zwecke der Glasseparation, d.h. zum Trennen mehrerer zusammenhängender Werkstücke aus Glas zu erzeugen. Dabei spielt eine gleichmäßige Modifikation des Materials über die gesamte Dicke des Werkstücks eine wichtige Rolle. Dadurch wird z.B. die Brechbarkeit erleichtert, Produktionsfehler wie Ausplatzungen oder Spannungsunterschiede werden minimiert, und es werden höhere Kantenfestigkeiten erzielt. Die zu bearbeitenden Glasmaterialien sind dabei im Allgemeinen über einen weiten Wellenlängenbereich der verwendeten Laserstrahlung transparent. Sobald aber spezielle Gläser (z.B. Filtergläser) oder Glasverbundwerkstoffe, bei denen unterschiedliche Gläser miteinander kombiniert sind oder Hilfsschichten (wie Folien oder Kleber) im Werkstück vorhanden sind, können diese Materialien eine signifikante lineare Absorption für die eingesetzte Laserstrahlung aufweisen. Diese kann die gewünschte nicht-lineare Wechselwirkung behindern bzw. eine gleichmäßige Energiedeponierung über die gesamte Werkstückdicke (entsprechend dem Beer-Lambert'schen Gesetz) verhindern.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich Präzision und Qualität verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung für die Laserbearbeitung von Werkstücken bereit zu stellen. Insbesondere sollen auch Werkstücke aus Verbundmaterialien oder aus sonstigen Spezialmaterialien, wie z.B. Filtergläser, mit verbesserter Qualität bearbeitet werden können.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines transparenten Werkstücks durch Erzeugung nicht-linearer Absorption von Laserstrahlung in einem im Volumen des Werkstücks befindlichen Laserstrahlfokus, umfassend die folgenden Schritte:

spektroskopische Vermessung der linearen Absorption der Laserstrahlung in dem Werkstück,

- Auswahl einer Arbeitswellenlänge, bei der die lineare Absorption gering ist, und

Bearbeiten des Werkstücks durch Applikation von Laserstrahlung bei der Arbeitswellenlänge.

Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines transparenten Werkstücks, mit

einem Laser, der einen Laserstrahl bei einer einstellbaren Arbeitswellenlänge emittiert,

einer Einkoppeloptik, die den Laserstrahl in das Volumen des Werkstücks einkoppelt und in einem im Volumen des Werkstücks befindlichen Laserstrahlfokus fokussiert,

einer Messeinrichtung, die die lineare Absorption der Laserstrahlung in dem Werkstück vermisst,

einer mit dem Laser, der Messeinrichtung und der Einkoppeloptik verbundenen Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Arbeitswellenlänge auf einen Wert einzustellen, bei der die lineare Absorption gering ist, und die Position des Laserstrahlfokus während der Bearbeitung des Werkstücks zu variieren.

Erfindungsgemäß erfolgt vor der eigentlichen Bearbeitung eine spektroskopische Vermessung des Werkstücks, um einen idealen Wellenlängenbereich für die Arbeitswellenlänge zu identifizieren, in dem eine minimale, jedenfalls aber möglichst geringe lineare Absorption der eingesetzten Laserstrahlung auftritt.

Durch die Unterdrückung oder Minimierung der linearen Absorption kann mittels Strahlfokussierung eine hohe Intensität in den gewünschten Wechselwirkungs-bereichen erzielt werden. Dadurch kommt es nur in diesen Bereichen zu einer vorwiegend nicht-linearen Absorption. Bei entsprechender Strahlformung erlaubt dies eine gleichmäßige, maßgeschneiderte Energiedeposition über die gesamte Dicke des Werkstücks. Unerwünschte Defekte wie Spannungen, Risse, Voids etc. werden vermieden bzw. gleichmäßig oder spezifisch über die Substratdicke verteilt.

Idealerweise sollte die lineare Absorption in dem Material des Werkstücks unterhalb von 20%, besser noch unterhalb von 10% auf einer Länge von einem Zentimeter in Laserstrahlrichtung liegen.

Das Ergebnis der Vermessung kann bei der Auswahl der Arbeitswellenlänge auch so verwendet werden, dass die erhaltene Transmissionskurve bei der Arbeitswellenlänge ein Maximum aufweist.

Nach der Vermessung erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks im ausgewählten Wellenlängenbereich.

Dazu kann z.B. ein entsprechender Laser ausgewählt und verwendet werden, bei dem die fundamentale Laserwellenlänge im gewünschten Wellenlängenbereich liegt. Alternativ kann die gewünschte Arbeitswellenlänge durch Frequenzkonversion (z.B. Erzeugung der zweiten oder einer höheren Harmonischen, optisch parametrische Konversion, Frequenzmischung, Superkontinuumserzeugung, Raman-Konversion etc.) entsprechend eingestellt werden.

Für die praktische Umsetzung der Erfindung geeignete, hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbare Lasersysteme sind kommerziell verfügbar.

Bei Verwendung eines durchstimmbaren Lasers kann dieser gleichzeitig auch für die Vermessung der linearen Absorption verwendet werden. Es wird in diesem Fall einfach für verschiedene Wellenlängeneinstellungen die Transmission der Laserstrahlung gemessen, und zwar möglichst ohne Fokussierung der Laserstrahlung im Volumen des Werkstücks.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Arbeitswellenlänge nach der Nebenbedingung ausgewählt, dass die nichtlineare Absorption bei der Arbeitswellenlänge möglichst hoch ist. Das bedeutet, mit anderen Worten, dass die erfindungsgemäße Vermessung des Werkstücks vor der eigentlichen Bearbeitung zusätzlich dazu genutzt werden kann, um eine besonders geeignete Wellenlänge auch für die nicht-lineare Absorption auszuwählen. Dazu wird zweckmäßig anhand der Transmissionskurve die Arbeitswellenlänge so gelegt, dass die Absorption bei der Arbeitswellenlänge selbst minimal ist, jedoch bei einer Harmonischen davon (d.h. bei einem Bruchteil der Arbeitswellenlänge: z.B. 1 /2, 1 /3, 1 /4 etc.) einen hohen Wert annimmt. Durch entsprechende Wahl der Arbeitswellenlänge kann somit der Grad der Nichtlinearität in der Absorption gewählt werden und dadurch die nichtlineare Bearbeitung angepasst werden. Werden z.B. bei einer bestimmten Arbeitswellenlänge zwölf Photonen zur Überwindung einer Bandlücke des Materials benötigt, um freie Elektronen (Ionisation) zu erzeugen, ist die Wahrscheinlichkeit für eine solche Multiphotonenabsorption relativ gering. Eine Anpassung der Arbeitswellenlänge, immer noch im Bereich geringer linearer Absorption des Materials des Werkstücks, führt zu einer höheren lonisationswahrscheinlichkeit, wenn bei der geänderten Arbeitswellenlänge beispielsweise nur noch sechs, vier oder zwei Photonen zur Ionisation benötigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Separation von Glaswerkstücken, wobei die Position des Laserfokus während der Bearbeitung zwischen zwei oder mehr zusammenhängenden Glaswerkstücken entlang einer Trennfläche oder einer Sollbruchstelle geführt wird. Bei den Glaswerkstücken kann es sich z.B. um optische Filtergläser oder auch um Automobil(front)scheiben (z.B. mit lichtabsorbierender Tönung oder laminierten Zwischenschichten) oder sonstige Spezialgläser in der Optikindustrie handeln.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein anschließendes Brechen vereinfacht, und Produktionsfehler werden minimiert.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispielen anhand der Figur. Es zeigt:

Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße

Vorrichtung als Blockdiagramm.

Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Laser 1 , der Laserstrahlung 2 emittiert. Der Laser 1 ist hinsichtlich der Wellenlänge der Laserstrahlung durchstimmbar. Die Laserstrahlung 2 wird mittels eines Objektivs 3 in Richtung auf ein Werkstück 4 gerichtet. Das Werkstück 4 besteht z.B. aus einem Spezialglas. Es kann sich z.B. um ein optisches Filterglas handeln. In das Werkstück 4 soll eine Trennfläche 5 durch Laserbearbeitung eingebracht werden. Das Objektiv 3 fokussiert die Laserstrahlung 2 so, dass die Fokusposition innerhalb des Volumens des Werkstücks 4 auf der Trennfläche 5 liegt. Dabei ist eine steuerbare optische Baugruppe 6 vorgesehen, um die Strahllage in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Laserstrahls 2 (d.h. in x-und y-Richtung) zu variieren. Das Objektiv 3 und die Baugruppe 6 bilden zusammen eine Einkoppeloptik, die den Laserstrahl 2 in das Volumen des Werkstücks 4 einkoppelt. Die Brennweite des Objektivs 3 ist ebenfalls variabel ansteuerbar. Insgesamt kann so die Fokusposition in drei Dimensionen, d.h. in x-, y- und z-Richtung variiert werden. Bei einer alternativen Ausgestaltung kann die Position des Werkstücks 4 relativ zur Optik bewegt werden. Die Einkoppeloptik ist mit einer programmgesteuerten Steuereinrichtung 7 verbunden. Die programmgesteuerte Steuereinrichtung 7 steuert das Objektiv 3 und die Ablenkeinrichtung 6 an, um die Fokusposition während der Bearbeitung zu variieren. Dabei ist die programmgesteuerte Steuereinrichtung 7 dazu eingerichtet, durch nicht-lineare Absorption des Laserstrahls 2 im Fokus ein vorgegebenes Modifikationsprofil innerhalb des Werkstücks 4 zu erzeugen, und zwar entlang der Trennfläche 5. Die programmgesteuerte Steuereinrichtung 7 steuert auch den Laser 1 an, um diesen für die Erzeugung der Laserstrahlung jeweils ein- und auszuschalten. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung als

Messeinrichtung einen Fotodetektor 8, der mit der Steuereinrichtung 7 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 7 kann das Objektiv 3 so ansteuern, dass der Laserstrahl 2 nicht innerhalb des Werkstücks 4 fokussiert ist, sondern durch das Werkstück 4 transmittiert wird. Der transmittierte Laserstrahl 2 fällt dann auf den Fotodetektor 8. Durch Variation der Wellenlänge des Lasers 1 , durch entsprechende Ansteuerung mittels der Steuereinrichtung 7, kann eine Transmissionskurve des Werkstücks 4 aufgenommen werden, um erfindungsgemäß vor der eigentlichen Bearbeitung die lineare Absorption der Laserstrahlung in dem Material des Werkstücks 4 spektral zu vermessen. Die Steuereinrichtung 7 stellt dann die Arbeitswellenlänge des Lasers 1 , d.h. die während der Bearbeitung zu verwendende Wellenlänge, nach Maßgabe der gemessenen Transmissionskurve auf einen Wert ein, bei der die lineare Absorption weniger als 10% pro Zentimeter in Richtung des Laserstrahls 2 beträgt. Zur spektroskopischen Vermessung der linearen Absorption kann der Laser 1 so angesteuert werden, dass er mit reduzierter Intensität emittiert, z.B. durch Reduktion der Leistung einer verwendeten Pumplichtquelle. Bei einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die spektroskopische Vermessung ex-situ, z.B. mittels eines separaten Weißlichtspektrometers. Während der Bearbeitung emittiert der Laser 1 den Laserstrahl 2 dann mit einer höheren Intensität, bei der in dem Laserstrahlfokus nicht-lineare Absorption, insbesondere Ionisation auftritt.

- Patentansprüche -