Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten und insbesondere zum Mikrostrukturieren eines Materials mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers, insbesondere zur Verwendung mit einer Bearbeitungsoptik mit einer hohen nummerischen Apertur.

Stand der Technik

Mikrostrukturierungsprozesse unter Verwendung ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers und unter Verwendung einer Bearbeitungsoptik mit großer numerischer Apertur sind üblicherweise bezüglich des Durchsatzes und der Prozessgeschwindigkeit stark limitiert. Für eine großflächige Bearbeitung und insbesondere Mikrostrukturierung eines Materials lassen sich zudem Systeme wie Polygonscanner nicht, oder nur in Ausnahmefällen, in Anwendungen mit Optiken mit großer numerischer Apertur anwenden.

Aus der EP 2 359 193 B1 sind rotierbare, optische Abtastvorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, Mikrostrukturierungsprozesse flächig durchzuführen.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, bevorzugt zum Einbringen von Mikrostrukturen in das Material, umfassend ein zu einer Rotationsachse stationäres Einkoppelsystem mit einer Einkoppeloptik zum Einkoppeln des Laserstrahls, ein mit dem Einkoppelsystem um die Rotationsachse rotierbar verbundenes Rotationssystem mit einer Rotationsoptik, und eine mit dem Rotationssystem verbundene und gemeinsam mit diesem rotierbare Bearbeitungsoptik zum Abbilden des Laserstrahls in oder auf das zu bearbeitende Material, wobei die Einkoppeloptik so ausgebildet ist, dass ein in diese eingekoppelter Laserstrahl in eine korrespondierende Bearbeitungsebene geführt wird, und wobei die Rotationsoptik und die Bearbeitungsoptik so ausgebildet sind, dass sie die korrespondierende Bearbeitungsebene in die Bearbeitungsebene des zu bearbeitenden Materials abbilden. Erfindungsgemäß ist vor und/oder in dem Einkoppelsystem ein Strahlbeeinflussungssystem zur Positionierung und/oder Formung des Laserstrahls in der korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet.

Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei ultrakurze Laserpulse zur Verfügung. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt, insbesondere zwischen 20 Pikosekunden und 50 Femtosekunden liegt. Der Ultrakurzpulslaser kann auch Bursts aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst.

Der zeitliche Abstand der Laserpulse kann hierbei zwischen 100 Nanosekunden und 10 Mikrosekunden liegen. Als ultrakurzer Laserpuls wird auch ein zeitlich geformter Puls betrachtet, der eine nennenswerte Änderung der Amplitude innerhalb eines Bereichs zischen 50 Femtosekunden und 5 Pikosekunden aufweist. Im folgenden Text wird wiederholt der Begriff Puls oder Laserpuls verwendet. In diesem Fall werden auch Laserpulszüge, umfassend mehrere Laserpulse mit einer Repetitionsfrequenz zwischen 100 MHz und 50 GHz, und zeitliche geformte Laserpulse eingeschlossen, auch wenn dies nicht jeweils explizit ausgeführt wird. Die von dem Ultrakurzpulslaser ausgesendeten ultrakurzen Laserpulse bilden entsprechend einen Laserstrahl aus.

Der Ultrakurzpulslaser ist vorzugsweise als stationäres System ausgebildet. Da die Rotationsoptik im Unterschied zum Laser beweglich ist, übernimmt das Einkoppelsystem mit der Einkoppeloptik die Aufgabe, den Laserstrahl vom stationären Laser in die Rotationsoptik einzuleiten. Das Einkoppelsystem wird hierbei stationär zur Rotationsachse gehalten, was insbesondere bedeuten kann, dass das Einkoppelsystem nicht mit dem Rotationssystem mitrotiert. Das stationäre Einkoppelsystem umfasst eine Einkoppeloptik, die eine Anordnung einer oder mehrerer Linsen und/oder Spiegel umfassen kann und übernimmt die Aufgabe, den von dem Ultrakurzpulslaser bereitgestellten Laserstrahl in eine bildseitige optische Zwischenebene, die sogenannte korrespondierende Bearbeitungsebene, abzubilden.

Die Einkoppeloptik kann des Weiteren strahlformende oder strahlablenkende Elemente umfassen, wobei die durch diese Elemente hervorgerufene Strahlbeeinflussung durch die Einkoppeloptik in die korrespondierende Bearbeitungsebene abgebildet wird.

An das Einkoppelsystem schließt sich das Rotationssystem an. Das Rotationssystem und das Einkoppelsystem sind rotierbar miteinander verbunden. Da das Einkoppelsystem stationär gehalten ist, kann sich das Rotationssystem zumindest abschnittsweise um eine durch das Einkoppelsystem definierte Rotationsachse herum bewegen. Die Strahlausbreitungsrichtung kann hierbei mit der Rotationsachse übereinstimmen. Die Rotationsachse kann aber auch parallel zur Strahlausbreitungsrichtung versetzt sein, oder gegen die Strahlausbreitungsrichtung verkippt sein, wobei gegebenenfalls die Fokussierung abhängig vom Rotationswinkel angepasst werden muss. Rotierbar kann bedeuten, dass das Rotationssystem um mindestens 360° rotiert werden kann beziehungsweise beliebige Vielfache davon. Dies schließt aber eine Verschwenkung um einen gewissen begrenzten Winkelbereich um das Einkoppelsystem herum nicht aus, insbesondere kann das Rotationssystem auch um kleinere Winkel als 360° oszillieren und damit nur eine hin und hergehende Schwenkbewegung ausführen.

Eine rotierbare Anbindung ermöglicht das Verschwenken oder Rotieren des Rotationssystems um die Rotationsachse und sorgt gleichzeitig für einen sicheren Halt und eine sichere Führung des Rotationssystems während der Rotation. Hierbei kann die rotierbare Anbindung beispielsweise durch ein Kugellager realisiert werden sein. Dadurch wird die Friktion zwischen dem Rotationssystem und dem Einkoppelsystem reduziert. Es sind aber auch andere bevorzugt friktionsarme Anbindung möglich.

Das Rotationssystem weist eine Rotationsoptik auf. Die Rotationsoptik kann hierbei eine Vielzahl von Linsen oder Spiegeln aufweisen. Die Rotationsoptik überführt im Wesentlichen die bildseitige Zwischenebene, also die korrespondierende Bearbeitungsebene, auf die objektseitige Zwischenebene der Bearbeitungsoptik ab. Mit anderen Worten kann die Rotationsoptik hier als eine Verlängerung des Strahlengangs wirken und die korrespondierende Bearbeitungsebene zusammen mit der Bearbeitungsoptik in Richtung des Werkstücks überführen. Beispielsweise kann die Rotationsoptik eine Umlenkoptik umfassen, mit welcher der Laserstrahl aus der korrespondierenden Bearbeitungsebene der Einkoppeloptik in das Rotationssystem umgelenkt wird. Die Rotationsoptik kann des Weiteren eine Linse oder mehrere Linsen umfassen, wobei der objektseitige Brennpunkt der Rotationsoptik mit der korrespondierenden Bearbeitungsebene der Einkoppeloptik zusammenfällt. Die Rotationsoptik kann des Weiteren einen Auskoppelspiegel umfassen, der den Laserstrahl aus dem Rotationssystem in Richtung der Bearbeitungsoptik umlenkt.

An das Rotationssystem schließt sich die Bearbeitungsoptik an. Die Bearbeitungsoptik und das Rotationssystem sind miteinander verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise eine Schraub-, Klick-, oder Steckverbindung sein. Die Bearbeitungsoptik kann ein Objektiv sein oder eine Anordnung von Linsen und/oder Spiegeln, wobei die Bearbeitungsoptik über die Rotationsoptik die korrespondierende Bearbeitungsebene der Einkoppeloptik in die Bearbeitungsebene in oder auf dem Material abbildet. Mit anderen Worten bildet das System aus Rotationsoptik und Bearbeitungsoptik die von der Einkoppeloptik bereitgestellte korrespondierende Bearbeitungsebene auf die eigentliche Bearbeitungsebene im zu bearbeitenden Material ab.

Die Bearbeitungsebene ist im mathematischen Idealfall, also bei einem einzelnen punktförmigen Fokus, eine Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, die vorzugsweise parallel zur Oberfläche des zu bearbeitenden Materials verläuft und in der die Bearbeitung des Materials stattfinden soll. Insbesondere ist in der Bearbeitungsebene eine scharfe Abbildung der korrespondierenden Bearbeitungsebene möglich. Dementsprechend bezieht sich die Bearbeitungsebene stets auf die Bearbeitungsoptik. In der praktischen Umsetzung führen die optischen Elemente im Strahlengang jedoch zu geringfügigen Krümmungen und Verzerrungen der Bearbeitungsebene, so dass die Bearbeitungsebene meistens mindestens lokal gekrümmt ist. Zudem weist der Fokus des Laserstrahls durch die Bearbeitungsoptik auch ein endliches Volumen auf, in dem die Mikrostrukturen in das Material eingebracht werden können. Insbesondere erstreckt sich die Fokusregion auch in Strahlausbreitungsrichtung, so dass sich anstatt einer Bearbeitungsebene eigentlich ein Bearbeitungsvolumen ergibt. Die Bearbeitungsebene kann zudem auch absichtlich gekrümmt sein, um beispielsweise eine dreidimensionale Bearbeitung des Materials zu ermöglichen, oder um eine Bearbeitung auf einer gekrümmten Oberfläche zu ermöglichen. Die Bearbeitungsebene ist daher insgesamt als das Volumen des Raums zu verstehen, in welchem durch die realisierbare Abbildung des Laserstrahls Mikrostrukturen in das Material eingebracht werden können. Dabei ist die Ausrichtung dieses Volumens relativ zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen jedoch in guter Näherung durch Ausrichtung der mathematischen Bearbeitungsebene gegeben. Im Folgenden wird daher stets von der Bearbeitungsebene gesprochen, wobei allerdings das zugängliche Bearbeitungsvolumen stets mitgedacht wird, auch wenn es nicht explizit erwähnt wird.

Insbesondere kann der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen 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. Die Stärke der Materialbearbeitung hängt dabei unter anderem von der Lage des Fokus der Bearbeitungsoptik ab. Der Fokus umfasst hierbei das Volumen im Raum, in dem die Energie des Lasers durch die Bearbeitungsoptik zur Konvergenz gebracht wird und in dem die Laserenergiedichte groß genug ist, um Mikrostrukturen in das Material einzubringen. Insbesondere kann der Laserstrahl auf oder in das Material abgebildet werden. Dies kann bedeuten, dass der Fokus des Laserstrahls durch die Bearbeitungsoptik über der Oberfläche des Materials liegt, oder genau auf der Oberfläche des Materials liegt, oder im Volumen des Materials liegt.

Der Laserstrahl wird von dem Material mindestens teilweise absorbiert, sodass sich das Material beispielsweise thermisch erhitzt oder in einen temporären Plasmazustand übergeht und verdampft oder eine Materialmodifikation eingebracht wird, welche die lokale Bindungsstruktur oder Dichte verändert und dadurch bearbeitet wird. Insbesondere ist es auch möglich, dass neben linearen Absorptionsprozessen auch nicht-lineare Absorptionsprozesse genutzt werden, die durch die Nutzung hoher Laserenergien zugänglich werden. Eine Materialbearbeitung kann beispielsweise in einer Mikrostrukturierung des Materials bestehen. Eine Mikrostrukturierung kann bedeuten, dass ein-, zwei- oder dreidimensionale Strukturen oder Muster oder Materialmodifikationen in das Material eingebracht werden sollen, wobei die Größe der Strukturen typischerweise mindestens in einer Dimension im Mikrometerbereich liegen, beziehungsweise die Auflösung der Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts liegt. Beispielsweise kann ein Bessel-ähnlicher Strahl eine longitudinale Ausdehnung im Millimeterbereich aufweisen.

Während der Ultrakurzpulslaser die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung stellt und die Bearbeitungsoptik die geformten Pulse aus der korrespondierenden Bearbeitungsebene in oder auf das Material abbildet, rotiert das Rotationssystem um die Einkoppeloptik. Diese Rotation erfolgt mit einer Winkelgeschwindigkeit um die durch die Einkoppeloptik definierte Rotationsachse.

Dadurch wird erreicht, dass die geformten Laserpulse an einer Vielzahl von Positionen in das Material eingebracht werden und somit eine hohe Bearbeitungsdichte des Materials erreicht werden kann.

Durch das Bereitstellen des Strahlbeeinflussungssystems vor und/oder in dem Einkoppelsystem kann eine Positionierung und/oder Formung des Laserstrahls in der korrespondierenden Bearbeitungsebene erreicht werden. Auf diese Weise kann eine Mikropositionierung des Strahlfokus erreicht werden, sowohl in der durch die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials liegenden Ebene, als auch bezüglich der Fokusposition in Strahlrichtung.

Vor dem Einkoppelsystem kann bedeuten, dass der Strahl beeinflusst wird, bevor er in das Einkoppelsystem eingebracht wird. Insbesondere kann das Strahlbeeinflussungssystem damit dem Einkoppelsystem vorgeschaltet sein. In dem Einkoppelsystem kann bedeuten, dass das Strahlbeeinflussungssystem den Laserstrahl beeinflusst, nachdem der Laserstrahl in das Einkoppelsystem eingekoppelt wurde. Vor und in dem Einkoppelsystem kann bedeuten, dass das Strahlbeeinflussungssystem mehrere Stufen aufweist und der Laserstrahl beispielsweise vor dem Einkoppelsystem erstmalig beeinflusst wird und im Einkoppelsystem durch erneut beeinflusst wird. Jede Stufe kann dabei jedoch als eigenständiges Strahlbeeinflussungssystem angesehen werden. Es kann aber auch sein, dass das Strahlbeeinflussungssystem vor und in dem Einkoppelsystem als eine Einheit wirkt.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann hierbei auch den einfallenden Laserstrahl in seiner Form beeinflussen. Beispielsweise kann es das Strahlprofil des Laserstrahls beeinflussen. Beispielsweise kann aus einem Gauß’schen Strahlprofil ein Flat-Top Strahlprofil erzeugt werden. Ein laterales Strahlprofil, also die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitung, kann beispielsweise aber auch elliptisch sein oder dreieckig oder linienförmig oder anders ausgeformt. Das Strahlbeeinflussungssystem kann aber auch die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verändern, indem es den einfallenden Laserstrahl ablenkt. Insbesondere kann das Strahlbeeinflussungssystem den einfallenden Laserstrahl auch parallel zu seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung in der Bearbeitungsebene der Bearbeitungsoptik verschieben, also dem Laserstrahl dort einen räumlichen Parallelversatz aufprägen.

Mit anderen Worten kann mittels des Strahlbeeinflussungssystems, der Rotationsoptik und der Bearbeitungsoptik innerhalb der durch die jeweiligen technischen Spezifizierungen, wie beispielsweise den Brennweiten und Vergrößerungen, falls vorhanden, sowie weiteren Abbildungseigenschaften, wie beispielsweise der maximalen Ablenkung durch das Strahlbeeinflussungssystem, mit der Bearbeitungsoptik in der Bearbeitungsebene ein Arbeitsfeld realisiert werden, in dem eine freie Positionierung des Laserstrahls vorgenommen werden kann. Das Arbeitsfeld in der Bearbeitungsebene kann beispielsweise eine Ausdehnung von 2 bis 500 eines in dieser Bearbeitungsebene erzielbaren Strahldurchmessern des Laserstrahls aufweisen.

Auf diese Weise lässt sich mittels des Strahlbeeinflussungssystems eine Verschiebung der Strahlposition in der korrespondierenden Bearbeitungsebene und damit nach der Abbildung auf das zu bearbeitende Material auch eine Verschiebung der Position des fokussierten Strahls auf dem zu bearbeitenden Material erreichen. Damit kann entsprechend zusätzlich zu der Bewegung der Rotationsoptik und damit der Bewegung der Bearbeitungsoptik über das Material eine weitere Positionierung auf den das Material bearbeitenden Laserstrahl aufgeprägt werden. Auf diese Weise lassen sich entsprechend weitere Positionen in dem Material ansteuern, so dass unabhängig von der durch die Rotationsbewegung des Rotationssystems und einen Vorschub zwischen Material und Vorrichtung vorgegebenen geometrischen Position auch andere Punkte auf dem Material angesteuert werden können.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann weiterhin auch eine Formung des Laserstrahls dahingehend vornehmen, dass die weitere räumliche Ausgestaltung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls angepasst wird. Diese Formung kann beispielsweise beinhalten, dass aus dem eintreffenden Laserstrahl durch das Strahlbeeinflussungssystem Teilstrahlen erzeugt werden und ein Abstand zwischen diesen eingestellt werden kann. Der Laserstrahl kann vorzugsweise in mindestens zwei Teillaserstrahlen aufgespaltet werden, so dass sich die die Anzahl der Laserstrahlen, die für die Materialbearbeitung verwendet werden können, entsprechend vervielfacht. Eine Formung des Laserstrahls, die mehrere Teillaserstrahlen umfasst, wird auch Multispot-Geometrie genannt. Die Teillaserstrahlen werden bevorzugt synchron, beziehungsweise zur selben Zeit in das Material eingebracht. Dadurch wird eine zusätzliche Optimierung der Wärmeakkumulation bei der Materialbearbeitung ermöglicht. Durch zeitlich synchronisiertes Einbringen der Laserpulse der Teillaserstrahlen kann die zeitliche Distanz aufeinanderfolgender Pulse maximiert werden, um den Wärmeeintrag des Lasers in das Material zu minimieren. Andererseits kann auch bei hoher räumlicher Auflösung mit einem einzelnen Puls eine gesteigerte Wirkung erzielt werden

Die Teillaserstrahlen können insbesondere nebeneinander in das Material eingebracht werden und/oder in verschiedenen Einbringtiefen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Teillaserstrahlen nicht aufeinander liegen. Bei mehr als zwei Teillaserstrahlen kann das bedeuten, dass alle Teillaserstrahlen auf einer Linie, insbesondere auf einer Geraden, liegen. Es kann aber auch bedeuten, dass die Anordnung der Teillaserstrahlen zweier Dimensionen bedarf. Beispielsweise können die Teillaserstrahlen kreisförmig oder rechteckig oder schachbrettförmig beliebig angeordnet sein. Die Teillaserstrahlen können auch übereinander liegen und miteinander überlappen und die Teillaserstrahlen können in verschiedenen Einbringtiefen in das Material eingebracht werden. Insbesondere können die Teillaserstrahlen auch in drei Dimensionen beliebig angeordnet sein. Insbesondere kann auch eine dreidimensionale Positionierung der Teillaserstrahlen erfolgen. Beispielsweise kann bei einer gekrümmten Bearbeitungsebene das Strahlbeeinflussungssystem auch eine Verschiebung des Fokus für jeden Teillaserstrahl ermöglichen.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann insbesondere auch ein reines Strahlformungssystem sein oder ein Multiplexing-System zur Erzeugung von Teillaserstrahlen sein. Insbesondere könnte das Strahlbeeinflussungssystem auch nicht-beugende Strahlprofile, wie beispielsweise Bessel-Strahlen oder Gauß-Bessel-Strahlen und/oder andere Strahlen, beispielsweise lateral geformte Laserstrahlen, sprich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung geformte Laserstrahlen erzeugten. Die Gestaltung der Intensitätsprofile kann beispielsweise über ein diffraktives optisches Element oder ein Axicon erfolgen. Eine Bearbeitungsgeometrie beschreibt hierbei die Gesamtheit der Strahleigenschaften im Arbeitsfeld.

Beispielsweise kann eine Bearbeitungsgeometrie ein Raster von 5x5 Teillaserstrahlen umfassen, die alle dasselbe Strahlprofil oder unterschiedliche Strahlprofile aufweisen. Insbesondere kann eine Bearbeitungsgeometrie durch die Anordnung der Teillaserstrahlen in einem sogenannten Multispot- Profil gegeben sein. Eine Bearbeitungsgeometrie umfasst aber auch die Eigenschaften, beispielsweise die Position, die Intensität und das Strahlprofil der einzelnen Teillaserstrahlen beziehungsweise Laserstrahlen.

Jeder Teillaserstrahl kann dabei auch als Element der Bearbeitungsgeometrie bezeichnet werden. Beispielsweise ist ein sternförmiges Strahlprofil eine Bearbeitungsgeometrie. Auch ein rundes und ein sternförmiges Strahlprofil in dem Arbeitsfeld sind eine Bearbeitungsgeometrie. Sowohl der runde als auch der sternförmige Laserstrahl sind Elemente der Bearbeitungsgeometrie. Wird die Position mindestens eines der beiden Elemente verändert, so wird auch die Bearbeitungsgeometrie insgesamt verändert. Wird das Strahlprofil eines Elements verändert, so wird die Bearbeitungsgeometrie ebenfalls verändert. Eine Bearbeitungsgeometrie ist im Allgemeinen auch durch einen einzelnen Laserstrahl im Arbeitsfeld gegeben.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann ein Strahlformungselement und/oder ein Strahlpositionierungselement umfassen, welches im Bereich der korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet ist.

Dadurch ist eine besonders effektive Strahlbeeinflussung möglich.

Der Laser kann bevorzugt in seiner Grundmode betrieben werden und/oder der Laserstrahl kann eine kohärente Überlagerung mehrerer Moden des Lasers sein, wobei die Beugungsmaßzahl M ² kleiner als 1 ,5 ist.

Die Mode des Lasers ist hierbei durch den Resonator des Lasers festgelegt, wobei die Grundmode des Lasers typischerweise als TEM00 bezeichnet wird und TEM für transversal-elektrische Mode steht. Die Grundmode entspricht hierbei im Idealfall der Gauß’schen Strahlform, wobei eine Überlagerung dieser Grundmode mit höheren Moden aus dem Spektrum des Resonators zu einer Abweichung der Strahlform des Laserstrahls von der Gauß’schen Strahlform führen kann. Die Abweichung, also die Beugungsmaßzahl, wird gemessen als der Quotient vom Divergenzwinkel des tatsächlichen Laserstrahls zum einem idealen Gauß’schen Laserstrahl, wobei der Divergenzwinkel gegeben ist durch den Öffnungswinkel der Einhüllenden der Laserstrahlen bei gleicher Strahltaille.

Die Normale der Bearbeitungsebene kann um weniger als 10° gegenüber der Rotationsachse geneigt sein. Bevorzugt ist sie jedoch nicht gegenüber der Rotationsachse geneigt, insbesondere ist sie dann parallel zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch kann erreicht werden, dass die Bearbeitungsebene in einem Kreisring über das Material gefahren werden kann.

Die Normale der Bearbeitungsebene kann senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet sein.

Dadurch kann erreicht werden, dass die Bearbeitungsebene die Mantelfläche, insbesondere Innenmantelfläche eines Zylinders überstreicht. Somit eignet sich die Vorrichtung auf für die Bearbeitung zylindersymmetrischer Oberflächen.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann eine Umverteilung der Intensitätsverteilung in der korrespondierenden Bearbeitungsebene derart ermöglichen, dass in Teilbereichen innerhalb der Bearbeitungsebene eine höhere Intensität erzielt wird, als dies ohne das Strahlbeeinflussungssystem möglich wäre.

Dadurch kann das Material mit einer höheren Intensität bearbeitet werden.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann ein Strahlformungselement und/oder ein Strahlpositionierungselement und/oder ein fokusschiebendes Element umfassen, welches nicht in der korrespondierenden Bearbeitungsebene angeordnet ist.

Dies Anordnung führt dazu, dass eine Energieumverteilung der Energie des einfallenden Laserstrahls in die korrespondierende Bearbeitungsebene stattfinden kann und damit die laterale Ausdehnung des auf das Strahlbeeinflussungssystem treffenden Laserstrahls wesentlich kleiner wird, beispielsweise mindestens um den Faktor 5 kleiner wird, die Energie erhalten bleibt und die Intensität größer wird, beispielsweise mindestens um den Faktor 5 größer wird.

Weiterhin kann durch diese Anordnung erreicht werden, dass die auf das Strahlbeeinflussungselement auftreffende Energie pro Fläche reduziert werden kann und daher eine Beschädigung des Strahlbeeinflussungselements reduziert oder vermieden werden kann.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann zudem eine kohärente Überlagerung von einzelnen Laserstrahlen, insbesondere von Teillaserstrahlen, herbeiführen. Das Strahlbeeinflussungssystem kann bevorzugt eine akustooptische Deflektoren-Einheit umfassen, wobei eine akustooptische Deflektoren-Einheit aus einem oder mehreren akustooptischen Deflektoren besteht.

Bei einem akustooptischen Deflektor wird über eine Wechselspannung an einem Piezokristall in einem optisch angrenzenden Material eine akustische Welle erzeugt, beispielsweise in Form eines Wellenpakets, einer propagierenden Welle oder einer stehenden Welle, die den Brechungsindex des optischen Materials periodisch moduliert. Durch die periodische Modulation des Brechungsindex wird hierbei ein Beugungsgitter für einen einfallenden Laserstrahl realisiert. Ein einfallender Laserstrahl wird an dem Beugungsgitter gebeugt und dadurch zumindest teilweise unter einem Winkel zu seiner ursprünglichen Strahlausbreitungsrichtung abgelenkt. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters und somit der Ablenkwinkel hängt dabei unter anderem von der Wellenlänge der -Gitterschwingung ab und dadurch von der oder den Frequenzen der angelegten Wechselspannung. Über eine Kombination von zwei akustooptischen Deflektoren in der Deflektoren-Einheit lassen sich so beispielsweise Ablenkungen des Laserstrahls in x- und y- Richtung erzeugen.

In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt das Strahlbeeinflussungssystem einen Bessel- oder Besselähnlichen Strahl, so dass dieser real oder virtuell die korrespondierende Bearbeitungsebene durchläuft.

Da das Strahlbeeinflussungssystem vor und/oder im Einkoppelsystem angeordnet ist, wird es nicht mitrotiert. Es erzeugt somit unter Vernachlässigung von Abbildungsfehler ortsfeste, also zur Rotationsachse feststehende Abbildungen des beeinflussten Laserstrahls in seinem bildseitigen Brennpunkt. Der bildseitige Brennpunkt des Strahlbeeinflussungssystems kann insbesondere mit der korrespondierenden Bearbeitungsebene zusammenfallen, so dass eine Positionierung und/oder Formung des Laserstrahls in der korrespondierenden Bearbeitungsebene erreicht wird. Dadurch wird der beeinflusste Laserstrahl in entsprechender Art und Weise dann in die Bearbeitungsebene in oder auf das Material abgebildet.

Da das Strahlbeeinflussungssystem nicht mitrotiert, aber das Bild des Strahlbeeinflussungssystems in der Rotationsoptik durch eine Spiegeloptik umgelenkt wird und diese mitrotiert, erscheint eine Abbildung der nicht-rotierten korrespondierenden Bearbeitungsebene in oder auf dem Material versetzt. Insbesondere wird das Arbeitsfeld durch diesen Vorgang, im Koordinatensystem den nicht rotierten Einkoppelsystems, in einer Kreisbahn über das Material geführt, wobei die Arbeitsfelder zu zwei verschiedenen Zeiten räumlich überlappen können. Durch eine schnelle Ansteuerung der akustooptischen Deflektoren-Einheit kann eine Überlappung kompensiert werden, indem die mit dem Strahlbeeinflussungssystem hergestellte Strahlform entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des Rotationssystems und entsprechend der momentanen Winkelausrichtung angepasst wird. Insbesondere können dadurch die verschiedenen Elemente einer Bearbeitungsgeometrie, wie beispielsweise Teillaserstrahlen, durch eine schnelle Ansteuerung im Arbeitsfeld umsortiert werden, so dass die Mikrostrukturen nicht ungewollt mehrfach in das Material eingebracht werden.

Bevorzugt ist das Strahlbeeinflussungssystem so ausgebildet, dass eine pulsgenaue Positionierung und/oder Formung des Laserstrahls in der korrespondierenden Bearbeitungsebene erreicht wird und bevorzugt eine pulsgenaue Fokuspositionierung oder Strahlformung in der Bearbeitungsebene des zu bearbeitenden Materials erreicht wird.

Durch die einzelpulsgenaue Fokuspositionierung und -Formung der Bearbeitungsgeometrie beziehungsweise der Laserstrahlen in Kombination mit einer geeigneten Überlappung der Arbeitsfelder unter kombinierter Relativbewegung zwischen Optik und Material unter Rotation und Vorschub lassen sich Materialien frei bearbeiten, während durch die Rotation das Arbeitsfeld in einem Kreisring oder Kreisringsegment über das Werkstück geführt wird.

Bevorzugt umfasst die Bearbeitungsoptik ein Hoch-NA-Objektiv, bevorzugt mit einer numerischen Apertur größer 0,1 besonders bevorzugt mit einer numerischen Apertur größer 0,2, oder ein Schwarzschildobjektiv, welches bevorzugt über eine Fokussiervorrichtung, besonders bevorzugt einen Piezo-Shifter, in der Fokuslage anpassbar ist.

Die numerische Apertur NA beschreibt das Vermögen eines optischen Elements, Licht zu fokussieren. Die numerische Apertur ergibt sich hierbei aus dem Öffnungswinkel der Randstrahlen 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. Bevorzugt ist die numerische Apertur größer als 0,1 , besonders bevorzugt größer als 0,2.

Ein Schwarzschildobjektiv ist ein optisches Bauteil, welches im Unterschied zum klassischen Objektiv nicht auf Beugung und Brechung von Strahlung durch ein optisches Element, beispielsweise einer Linse, basiert. Beim Schwarzschildobjektiv wird die abbildende Eigenschaft durch eine Spiegelkonstruktion, nämlich der Kombination von einem konvexen und einem Hohlspiegel erreicht. Insbesondere wird die numerische Apertur durch die Krümmung des konkaven Hohlspiegels erreicht, ähnlich einem Spiegelteleskop. Der Vorteil des Schwarzschildobjektivs ist einerseits, dass sich bei hoher numerischer Apertur und auch bei moderatem Eingangsstrahldurchmesser ein großer Arbeitsabstand zwischen Objektiv und Material realisieren lässt. Weiterhin werden reflektive Komponenten eingesetzt, so dass das Licht nicht durch eine Linse hindurchtreten muss, um in seiner Ausbreitungsrichtung modifiziert zu werden. Letzteres ist insbesondere bei UV-Anwendungen oder Deep-UV-Anwendungen von Vorteil, wo sonst ein Großteil der Laserenergie durch die Linsen absorbiert werden würde und somit neben Minderung der Effizienz zu einer thermisch bedingten Beeinflussung der Qualität und/oder zu einer Degradation der Optik führen kann. Somit eignet sich ein Schwarzschildobjektiv insbesondere für die Anwendung bei gesteigerter Laserleistung wie beispielsweise bei der Herstellung von Mikrochips in beispielsweise lithographischen oder mikrolithographischen Verfahren.

Eine Fokussiervorrichtung des Objektivs kann beispielsweise zwischen dem Rotationssystem und der Bearbeitungsoptik angebracht werden. Bevorzugt wird die Fokussiervorrichtung jedoch in nicht rotierenden Teil angeordnet. Über eine Fokussiervorrichtung kann der Weg zwischen der Bearbeitungsoptik und der Materialoberfläche verändert werden. Dadurch kann ein scharfes Abbild der korrespondierenden Bearbeitungsebene erzeugt werden.

Eine Fokussiervorrichtung kann beispielsweise ein Piezo-Shifter sein. Ein Piezo-Shifter ist ein piezoelektronisches Bauteil, welches beim Anlegen einer elektrischen Spannung seine geometrischen Ausdehnungen ändert. Über das Anlegen einer Spannung an den Piezo-Shifter kann so beispielsweise eine Dicke variiert werden. Wenn die Dicke des Piezo-Shifters ein Teil des Wegs zwischen dem Objektiv und der Materialoberfläche ist, dann lässt sich über den Piezo-Shifter die Lage des Fokuspunktes auf oder in dem Material festlegen. Eine Fokussiervorrichtung kann aber auch durch eine TAG-Linse, einen piezodeformierbaren Spiegel oder durch einen akustooptischen Deflektor gegeben sein.

Durch die Fokussiervorrichtung ist es daher möglich, eine scharfe Abbildung des Laserstrahls in die gewünschte Bearbeitungsebene zu gewährleisten.

Insgesamt ermöglicht die Vorrichtung mit dem Strahlbeeinflussungssystem und der Hoch-NA- Bearbeitungsoptik Mikrobearbeitungsprozesse, die für kleine Strukturgrößen und/oder hohe Auflösung notwendig sind, auf flächige Materialbearbeitungen unter Verwendung hoher Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu skalieren. Das Rotationssystem kann flächig, vorzugsweise als Zylinder, oder armförmig ausgebildet sein.

Ein flächiges Rotationssystem kann beispielsweise eine Scheibe sein, wobei der Durchmesser der Scheibe senkrecht zur Rotationsache größer ist, als die Dicke der Scheibe entlang der Rotationsachse. Beispielsweise kann der Durchmesser 10mal oder 10Omal größer sein, als die Dicke. Insbesondere kann die Rotationsachse durch einen der Symmetriepunkte der Scheibe verlaufen, insbesondere durch einen Punkt, in dem die Form der Scheibe durch Rotationssymmetrie gekennzeichnet ist. Insbesondere kann die Scheibe ausgehend vom Symmetriepunkt eine geringe Unwucht aufweisen und in radialer Richtung gleichförmige Massenverteilung haben. Zusätzlich können durch eine scheibenförmige Ausgestaltung Luftwiderstände reduziert werden und beeinträchtigende Verwirbelungen reduziert werden, sofern nicht bei einem entsprechend großen Unterdrück gearbeitet wird. Insbesondere kann die Scheibe ein Zylinder sein, dessen Dicke deutlich kleiner als der Durchmesser ist, wobei die Rotationsachse durch den Mittelpunkt der Scheibe verläuft. Insbesondere kann die Bearbeitungsoptik auf oder an das flächige Rotationssystem angebracht werden, so dass die Bearbeitungsoptik von der Oberfläche des Rotationssystems absteht. Die Bearbeitungsoptik kann aber auch in das Rotationssystem integriert sein.

Ein armförmiges Rotationssystem kann durch einen Arm gegeben sein, wobei die Länge des Armes größer ist als die Seiten seines Querschnitts. Die Rotationsachse kann durch den Mittelpunkt der Längsachse des Armes verlaufen, wodurch eine entsprechende Unwucht reduziert wird. Die Rotationsachse kann aber auch durch einen anderen Punkt der Längsachse verlaufen, insbesondere durch einen Endpunkt der Längsachse.

Die Rotationsoptik kann in die Scheibe oder in den Arm integriert werden und insbesondere in einem entsprechenden Hohlraum in der Scheibe oder in dem Arm verlaufen. Es kann aber auch sein, dass die Rotationsoptik auf oder unter oder an der Scheibe oder dem Arm befestigt ist. In jedem Fall kann durch entsprechende Ausgleichsgewichte auf der Scheibe oder dem Arm die durch die Rotationsoptik und Bearbeitungsoptik entstehende Unwucht reduziert werden.

Die Rotationsoptik kann abbildende Spiegel- und/oder Linsenoptiken enthalten. Die Rotationsoptik kann aber auch strahlformende Elemente wie eine diffraktives optisches Element oder ein Axicon umfassen.

Abbildende Spiegeloptiken sind Spiegel, deren Oberfläche eine Krümmung aufweist. Durch eine solche Krümmung können Abbildungen erzeugt werden, beziehungsweise der Abbildungsmaßstab kann verändert werden, beispielsweise vergrößert oder verkleinert werden. Dasselbe gilt für Linsenoptiken.

Indem die Rotationsoptik eine abbildende Spiegel- und/oder Linsenoptik enthält, kann die korrespondierende Bearbeitungsebene verkleinert oder vergrößert in die Bearbeitungsebene abgebildet werden. Insbesondere ist es dadurch möglich die Strukturgröße der Mikrostrukturen zu verändern.

Die Rotationsoptik kann ein Teleskop umfassen, vorzugsweise ein Relay-Teleskop, welches zusammen mit der Bearbeitungsoptik die korrespondierende Bearbeitungsebene des Einkoppelsystems vorzugsweise verkleinert in die Bearbeitungsebene auf oder in das Werkstück abbildet.

Ein Teleskop ist eine Anordnung von Spiegeln und oder Linsen, welche eine abbildende beziehungsweise fokussierende Eigenschaft aufweisen. Insbesondere ist eine abbildende Eigenschaft durch eine Vergrößerung oder einer Verkleinerung der korrespondierenden Bearbeitungsebene gegeben.

Ein Relay-Teleskop ist insbesondere eine Anordnung von abbildenden Elementen, welche dazu dienen den optischen Weg einer abbildenden Optik, beispielsweise der Einkoppeloptik, zu verlängern oder das Bild zu invertieren.

Das Teleskop bildet zusammen mit der Bearbeitungsoptik die korrespondierende Bearbeitungsebene verkleinert oder vergrößert auf oder in das Werkstück ab. Dabei erfolgt die Fokussierung durch ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur, welches beispielsweise mittels Piezo-Shifter in der Fokuslage anpassbar ist.

Mit einer Vorschubvorrichtung kann der Laserstrahl oder das Einkoppelsystem mit Rotationssystem und das Material relativ zueinander mit einem Vorschub verschoben werden.

Eine Vorschubvorrichtung kann beispielsweise als XY- oderXYZ-Tisch oder als Rolle-zu-Rolle- System ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich den Laserstrahl und das Material relativ zueinander verschieben, wobei sich die relative Verschiebung anstatt auf den Laserstrahl auch auf den statischen Teil der Vorrichtung, sprich das Einkoppelsystem der Vorrichtung beziehen kann. Hierbei findet dann eine überlagerte Bewegung der Rotation und des Vorschubs statt. Eine relative Verschiebung bedeutet, dass der Vorschub oder der Versatz durch eine Vorschubvorrichtung bewirkt wird, die entweder das Material oder aber die Vorrichtung, insbesondere das Einkoppelsystem, in eine der Raumrichtungen bewegt. Insbesondere ist der Vorschub mit einer Vorschubgeschwindigkeit assoziiert, wobei sich der Vorschub entlang einer Vorschubtrajektorie bewegt. Wird das Einkoppelsystem mit der Vorschubvorrichtung verschoben, kann die Zuführung des Laserstrahls zur Einkoppeloptik entweder über eine Faser erfolgen, beispielsweise eine Hohlkernfaser, oder über eine Freistrahlstrecke, beispielsweise mit Hilfe eines Gantry-Achssystems.

Durch eine Vorschubvorrichtung ist es möglich, der Vorrichtung weitere translatorische Freiheitsgrade hinzuzufügen, sodass durch Verbindung mit der Rotationsvorrichtung eine größere Fläche des Materials mit dem Laserstrahl bearbeitet werden kann.

Das Material eines Rolle-zu-Rolle-Prozesses kann durch die Bearbeitungsebene geführt werden.

Bei einem Rolle-zu-Rolle-Prozess wird das Material zwischen zwei Rollen eingespannt und durch Rotation der Rollen transportiert, beziehungsweise entlang einer Transportrichtung verschoben.

Indem das Material eines Rolle-zu-Rolle-Prozess durch die Bearbeitungsebene verschoben wird, kann eine schnelle Bearbeitung des Materials mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen.

Das Material kann mindestens lokal zylinderförmig sein, die Rotationsachse kann mit der Zylinderachse zusammenfallen, die Bearbeitungsebene kann dadurch an eine Zylinderoberfläche angepasst werden und der Vorschub kann parallel zur Rotationsachse orientiert sein.

Dadurch wird die Bearbeitung einer zylindrischen Oberfläche ermöglicht.

Mindestens lokal zylinderförmig bedeutet, dass das Material lediglich abschnittsweise zylinderförmig sein muss, insbesondere nur einen Krümmungsradius aufweisen muss.

Beispielsweise wird in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess eine auf einer Rolle aufgewickelte Folie für die Bearbeitung abgewickelt und nach der Bearbeitung wieder aufgewickelt. Dabei kann die Folie zur Bearbeitung abschnittsweise, also auf begrenzter Länge, an eine Zylinderfläche angepasst werden, wobei die Zylinderachse dann weitgehend mit der Rotationsachse übereinstimmt, bevorzugt mit der Rotationsachse exakt übereinstimmt. Bevorzugt kann ein Steuerungssystem zur Synchronisierung der Steuerung des Strahlbeeinflussungssystems, des Rotationssystems und des Ultrakurzpulslasers vorgesehen sein, wobei das Strahlbeeinflussungssystem die Bearbeitungsgeometrie in der korrespondierenden Bearbeitungsebene so verschiebt, dass, sofern die Arbeitsfelder bei zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen überlappen, die in oder auf dem Material eingebrachte Strukturen sich lediglich ergänzen und es nicht zu unerwünschten Mehrfachbelichtungen kommt.

Eine Synchronisation bedeutet, dass die Steuerung, das Strahlbeeinflussungssystem, das Rotationssystem und der Ultrakurzpulslaser und optional die Vorschiebevorrichtung eine gemeinsame Zeitbasis aufweisen. Hierfür steht die Steuervorrichtung in Verbindung mit dem gepulsten Lasersystem sowie mit dem Strahlbeeinflussungssystem und dem Rotationssystem und optional mit der Vorschubvorrichtung.

Aufgrund dieser gemeinsamen Zeitbasis kann über die Steuerung die Ansteuerung der verschiedenen Systeme so erfolgen, dass die Laserstrahlen in gewünschte Art und Weise in das Material eingebracht werden können. Beispielsweise können durch die gemeinsame Zeitbasis beispielsweise zeitliche Verzögerungen der Ansteuerung etc., kompensiert werden.

Typischerweise basiert eine entsprechende Steuervorrichtung auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) mit schnell angebundenen Speichern, wobei für einen spezifischen Bearbeitungsvorgang, Bearbeitungsparameter wie beispielsweise Fokusposition, Pulsenergie oder Modus (einzelner Puls oder Laserburst) hinterlegt werden können.

Die Steuerbefehle beziehungsweise deren Ausführung werden hierbei in allen angeschlossenen Vorrichtungen mit beispielsweise der Seed-Frequenz des Lasers synchronisiert, wobei die Seed- Frequenz die Grundpulsfrequenz des Lasers ist, so dass eine gemeinsame Zeitbasis für alle Komponenten existiert. Durch eine entsprechend schnelle Ansteuerung von gepulstem Laser, Strahlbeeinflussungssystem, Rotationssystem und Vorschubvorrichtung können so der genaue Ort, die Position des Laserfokus auf dem Werkstück und die Pulsenergie eingestellt und geändert werden.

Beispielsweise dient die Seed-Frequenz dann zur Ansteuerung des Strahlbeeinflussungssystems, zum Beispiel zur zeitlich exakten Aussteuerung der akustooptischen Deflektoren-Einheit und somit zur Bestimmung der Position des Laserfokus. Die Größe und Richtung der Aussteuerung sind hierbei aber weiterhin durch das Steuersystem gegeben. Beispielsweise ist durch eine vorgegebene oder ansteuerbare Winkelgeschwindigkeit der Rotationsvorrichtung in Zusammenhang mit der gemeinsamen Zeitbasis die exakte Ausrichtung der

Rotationsvorrichtung zu jeder Zeit bekannt.

Die genaue Abstimmung der verschiedenen ansteuerbaren Elemente auf Grundlage der Seed- Frequenz erlaubt somit eine genauere Steuerung des Bearbeitungsvorgangs.

Die Vorschubvorrichtung kann das Einkoppelsystem mit Rotationssystem relativ zum Material parallel zur Rotationsachse verschieben.

Insbesondere kann dadurch, sofern die Normale der Bearbeitungsebene senkrecht zur Rotationsachse steht, die Innenmantelfläche eines Zylinders überstrichen werden.

Der Radius des Rotationssystems kann anpassbar sein, wobei die Rotationsoptik dazu eingerichtet ist, die Anpassung des Radius in dem Rotationssystem zu kompensieren.

Der Radius des Rotationssystems ist gegeben durch den Radius der Kreisbewegung der Rotationsachse zum Mittelpunkt der Bearbeitungsoptik.

Ein anpassbarer Radius des Rotationssystems kann bedeuten, dass der Abstand der Bearbeitungsoptik zur Rotationsachse einstellbar ist. Beispielsweise kann die Bearbeitungsoptik näher an der Rotationsachse platziert werden oder weiter von ihr entfernt. Dadurch kann das zur Verfügung stehende Material optimal ausgenutzt werden. Insbesondere kann die Bearbeitungsoptik auch während der Bearbeitung verfahren werden, so dass sich ein größeres Arbeitsfeld für die Bearbeitungsoptik ergibt.

Beispielsweise kann eine Bearbeitung dann auf den verschiedenen Kreisringen beziehungsweise Kreissegmenten stattfinden. Die Bearbeitung ist dann nicht mehr auf einen vorgegebenen Radius beschränkt, sondern die Bearbeitung kann auf der Oberfläche stattfinden, die durch den maximalen Radius des Rotationssystems beschränkt ist.

Da der Abstand der Bearbeitungsoptik zur Rotationsachse angepasst werden kann, muss auch der optische Weg zwischen korrespondierende Bearbeitungsebene und Bearbeitungsebene angepasst werden. Dies kann mit einer Rotationsoptik geschehen, wobei das Teleskop so ausgestaltet ist, dass durch eine Verschiebung keine zusätzliche Vergrößerung und eine Beibehaltung weiterer Eigenschaften wie beispielsweise der Fokuslage erreicht wird. Typischerweise wird der Radius des Rotationssystems jedoch nicht dynamisch während des Bearbeitungsprozesses variiert, obwohl auch eine dynamische Änderung möglich ist.

Bevorzugt kann das Rotationssystem mindestens zwei Rotationsoptiken aufweisen, die jeweils mit einer eigenen Bearbeitungsoptik verbunden sind und das Strahlbeeinflussungssystem ist bevorzugt dazu eingerichtet, mindestens zwei Bearbeitungsgeometrien zu erzeugen, welche über eine Umlenkoptik jeweils in eine der Rotationsoptiken des Rotationssystems eingebracht werden.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann dabei mehrere Bearbeitungsgeometrien parallel oder im Wechsel erzeugen. Beispielsweise kann das Strahlbeeinflussungssystem zwei Teillaserstrahlen formen, wobei der eine Teillaserstrahl ein sternförmiges Strahlprofil aufweist und der andere Teillaserstrahl ein rechteckiges Strahlprofil aufweist, wobei beide Teilstrahlen um mehrere Mikrometer, beispielsweise 100 pm, parallel zueinander versetzt sind.

Eine Umlenkoptik kann ein Spielsystem sein, welches einen oder mehrere Teilstrahlen in Richtung einer spezifischen Bearbeitungsoptik lenkt. Die Teilstrahlen werden von der Umlenkoptik daher insbesondere auf spezifische Strahlengänge geleitet. Die Umlenkoptik ist Teil des Rotationssystems und wird somit insbesondere mitrotiert.

Die Vorrichtung kann mehrere Bearbeitungsoptiken aufweisen, wobei jede Bearbeitungsoptik durch einen spezifischen Strahlengang der Rotationsoptik erreicht werden kann. Dies impliziert im Falle einer armförmigen Ausbildung des Rotationssystems, dass das Rotationssystem beispielsweise N Arme aufweist, wobei N eine natürliche Zahl ist. Jede Bearbeitungsoptik weist eine eigene Bearbeitungsebene auf, wobei die korrespondierende Bearbeitungsebene durch die Einkoppeloptik erzeugt wird. Insbesondere werden durch das Strahlbeeinflussungssystem eine Vielzahl von unterschiedlichen oder gleichen Bearbeitungsgeometrien in der korrespondierenden Bearbeitungsebene bereitgestellt. Insbesondere sind hierbei lediglich umpositionierte Bearbeitungsgeometrien mit eingeschlossen. Es können aber auch alle Bearbeitungsoptiken auf dieselbe korrespondierende Bearbeitungsebene zugreifen.

In dem entlang einer Vielzahl von Strahlengängen Laserstrahlung durch eine Vielzahl von Bearbeitungsoptiken in das Material eingebracht wird, vergrößert sich der Durchsatz bei der Materialbearbeitung. Die Umlenkoptik kann schaltbar sein und die Bearbeitungsgeometrien können auf bestimmte Strahlengänge umgelenkt werden. Insbesondere kann die Umlenkoptik in die Strahlbeeinflussungsoptik integriert oder von dieser unterstützt werden.

Durch die Umlenkoptik kann eine spezifische Bearbeitungsgeometrie auf eine spezifische Trajektorie geleitet werden. Dies kann insbesondere durch eine Synchronisierung des Rotationssystems, des Strahlbeeinflussungssystems und des Ultrakurzpulslasers ermöglich werden.

Insbesondere kann die Umlenkoptik schaltbar sein, beispielsweise durch ein Flip Mirror System realisiert sein, wodurch ein Laserstrahl entweder auf eine erste Trajektorie oder auf eine zweite Trajektorie geleitet werden kann. Insbesondere durch eine umschaltbare Umlenkoptik eine Auswahl der zur Verfügung stehenden Trajektorien möglich, sodass der Laserstrahl auf eine bestimmte Trajektorie gelenkt werden kann. Eine Umlenkoptik kann beispielsweise auch darin bestehen, dass die akustooptische Deflektoren-Einheit die Bearbeitungsgeometrie an einer spezifischen Stelle in der korrespondierenden Bearbeitungsebene zur Verfügung stellt oder nicht zur Verfügung stellt.

Das Strahlbeeinflussungssystem kann eine Bearbeitungsgeometrie in einen Scanner, bevorzugt einen 1 D- oder 2D- Galvano-Scanner, abbilden, der Scanner kann den Laserstrahl bewegen und in der korrespondierenden Bearbeitungsebene abbilden.

Ein Galvano-Scanner ist hierbei eine Ablenkvorrichtung des Laserstrahls, wobei ein Parallelversatz des transmittierten Laserstrahls zum ursprünglichen Laserstrahl erzeugt wird. 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.

Dadurch kann erreicht werden, dass der Kreisring, den die Bearbeitungsoptik in einem festen Abstand zur Rotationsachse überstreicht, vergrößert werden kann.

Der Scanner kann aber auch als Teil des Strahlbeeinflussungssystems verstanden werden, da er die Position des Laserstrahls beeinflusst. Beispielsweise kann der Scanner somit vor und/oder in dem Strahlbeeinflussungssystem angeordnet sein. Beispielsweise kann der Laserstrahl durch eine erste akustooptische Deflektoren-Einheit abgelenkt werden und anschließend ein weiterer Positionsversatz aufgeprägt werden. Beispielsweise kann der Laserstrahl auch erst durch eine akustooptische Deflektoren-Einheit abgelenkt werden, anschließend durch eine

Strahlformungsvorrichtung geleitet werden und anschließend in einen Scanner geleitet werden.

Kurze der Fr

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 einen schematischen Aufbau der Vorrichtung;

Figur 2 eine detaillierte Ansicht des Aufbaus der Vorrichtung;

Figur 3 A, B verschiedene Ausführungen des Rotationssystems;

Figur 4 das Bearbeitungsfeld des Rotationssystems in Verbindung mit einem

Strahlbeeinflussungssystem;

Figur 5 das Bearbeitungsfeld des Rotationssystems in Verbindung mit dem

Strahlbeeinflussungssystem und einer Vorschubvorrichtung;

Figur 6 A, B, C, D, E, F eine detaillierte Ansicht einer möglichen Bearbeitungsstrategie;

Figur 7 A, B eine schematische Darstellung eines Schwarzschildobjektivs und abbildenden Elementen in einer Rotationsoptik;

Figur 8 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit zwei verschiedenen

Strahlengängen;

Figur 9 A, B eine schematische Darstellung einer Umlenkoptik für eine Vielzahl von

Strahlengängen;

Figur 10 A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit Scanner-Optik;

Figur 11 A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Bearbeitung abschnittsweise zylinderförmiger Materialien; und

Figur 12 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit Axicon.

Detaillierte 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 der Aufbau einer Vorrichtung 1 zum Bearbeiten eines Materials 6 gezeigt. Ein Ultrakurzpulslaser 7 stellt ultrakurze Laserpulse zur Verfügung, die den Laserstrahl 70 ausbilden. Die ultrakurzen Laserpulse beziehungsweise der Laserstrahl 70 werden in das Einkoppelsystems 2 eingekoppelt. Die Laserpulse durchlaufen das Einkoppelsystem 2 und werden in ein Rotationssystem 3 weitergeleitet. Das Einkoppelsystem 2 und das Rotationssystem 3 sind hierbei rotierbar miteinander verbunden. Insbesondere wird das Einkoppelsystem 2 zur Rotationsachse 34 stationär gehalten, während das Rotationssystem 3 um die Rotationsachse 34 des Rotationssystems 3 herum rotiert. Die Rotationsachse 34 wird durch das Einkoppelsystem 2, insbesondere dessen Einkoppeloptik 20 und dabei besonders der optischen Achse der Einkoppeloptik 20, vorgegeben. Im Rotationssystem 3 werden die ultrakurzen Laserpulse zu einer Bearbeitungsoptik 4 weitergeleitet und mittels dieser zum Material 6 geführt und dort auf der Oberfläche und/oder ins Volumen eingebracht.

Die ultrakurzen Laserpulse werden von dem Material 6 mindestens teilweise absorbiert, wodurch das Material 6 aufgrund von linearen oder nicht-linearen Absorptionsprozessen bearbeitet werden kann. Eine Materialbearbeitung kann beispielsweise in einer Mikrostrukturierung und/oder Modifikation des Materials 6 bestehen. Das Material 6 ist insbesondere über eine Materialaufnahme mit einer Vorschubvorrichtung 5 verbunden, wodurch das Material 6 relativ zum Laserstrahl 70, insbesondere relativ zur Einkoppeloptik 2, verschoben werden kann. Alternativ kann das Material auch fix positioniert werden, wobei die Vorschubvorrichtung 5 das Einkoppelsystem 2 mit Rotationssystem 3 über das Material 6 bewegt (nicht gezeigt). In jedem Fall rotiert das Rotationssystem 3 während der Vorschubbewegung um die Rotationsachse 34.

Durch die Rotation der Rotationsoptik 3 ist es möglich, mit einer Bearbeitungsoptik 4, die beispielsweise eine hohe numerische Apertur aufweist, eine großflächige Bearbeitung des Materials 6 zu erreichen. Die Bearbeitungsoptik 4 wird durch die Rotation der Rotationsoptik 3 auf einem Kreis oder bei überlagertem Vorschub auf einer Spiralbahn relativ zum Material geführt. Das Arbeitsfeld überstreicht dementsprechend einen Kreisring, in den das Laserlicht eingebracht werden kann. Durch die simultane Verschiebung mit der Vorschiebevorrichtung 5 ist somit möglich, zu dem initialen Kreisringen weitere Kreissegmente beziehungsweise Spiralsegmente anzufügen, um eine flächige Bearbeitung des Materials 6 zu gewährleisten.

Der Ultrakurzpulslaser 7, das Einkoppelsystem 2, das Rotationssystem 3, und die Vorschubvorrichtung 5 können über ein Steuerungssystem 8 miteinander synchronisiert werden. Als gemeinsame Zeitbasis für die Synchronisation kann hierbei die Seed-Frequenz des Ultrakurzpulslasers 7 oder ein anderes Hochfrequenzsignal dienen. Da systemweit eine gemeinsame Zeitbasis zur Verfügung steht, ist eine exakte Kontrolle über das Einbringen der Laserpulse in das Material 6 möglich.

In Figur 2 ist eine detaillierte Ansicht des schematischen Aufbaus der Vorrichtung 1 inklusive dem Strahlengang gezeigt. Das Einkoppelsystem 2 umfasst eine Einkoppeloptik 20. Die Einkoppeloptik 20 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Strahlbeeinflussungssystem 22, welches den einfallenden Laserstrahl 70 des Ultrakurzpulslasers 7 ablenkt beziehungsweise modifiziert. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Strahlbeeinflussungssystem 22 auch noch weiter vorgelagert und außerhalb des Einkoppelsystems 2 angeordnet sein.

Das Strahlbeeinflussungssystem 22 kann insbesondere eine akustooptische Deflektoren-Einheit sein. Diese Einheit ermöglicht es, einzelpulsgenau und mit einer Ablenkrate von zu mehreren Megahertz die Position jedes Pulses oder Bursts innerhalb eines kleinen Arbeitsfelds freizusetzen (Random-Access-Scan). Das Arbeitsfeld ist hierbei beispielsweise zwischen 2 und 500 Strahldurchmessern groß, so dass eine relativ kleine Änderung der Position durchgeführt werden kann, diese aber mit einer sehr hohen Geschwindigkeit. Die Positionsänderung jedes Pulses ist hierbei in der korrespondierenden Bearbeitungsebene 42 zu beobachten.

Eine besonders hervorzuhebende Variante ist dabei die einzelpulsgenaue Verschiebung der Fokuslage auf dem Material 6, auch in Strahlausbreitungsrichtung, durch entsprechende Vorformung des Laserstrahls durch das Strahlbeeinflussungssystem 22.

Die durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 modifizieren Laserstrahlen 70 werden schließlich in die korrespondierende Bearbeitungsebene 42 geführt. An das Einkoppelsystem 2 schließt sich das Rotationssystem 3 an, in welches der Laserstrahl über eine Umlenkoptik 32 umgelenkt wird. Das Einkoppelsystem 2 und das Rotationssystem 3 sind über eine rotierbare Verbindung 24 so miteinander verbunden, dass eine Rotation des Rotationssystems 3 gegenüber dem Einkoppelsystem 2 möglich ist und gleichzeitig ein Durchtritt des Laserstrahls zuverlässig ermöglicht wird. Das Rotationssystem 3 rotiert dabei um die Rotationsachse 34. Die Rotationsachse 34 und die Strahlausbreitungsrichtung laufen nicht zwingen parallel zueinander. Insbesondere kann bei erfolgter Strahlablenkung die Strahlausbreitungsrichtung von der Rotationsachse 34 abweichen.

Das Rotationssystem 3 umfasst eine Rotationsoptik 30, welche die Umlenkoptik 32, ein Teleskop 36 und einen Auskoppelspiegel 38 umfasst. An das Rotationssystem 3 schließt sich in einem Abstand R ausgehend von der Rotationsachse 34 die Bearbeitungsoptik 4 an. Der Laserstrahl wird von dem Rotationssystem 3 über den Auskoppelspiegel 38 in die Bearbeitungsoptik 4 umgelenkt.

Eine Teleskopabbildung beziehungsweise eine 4f Abbildung kann auch durch die Bearbeitungsoptik 4 in Kombination mit den im Rotationsarm 3 angeordneten Komponenten ausgebildet sein.

Die Bearbeitungsoptik 4 ist dabei über einen optionalen Piezo-Shifter 44 mit dem Rotationssystem 3 verbunden. Durch den Piezo-Shifter 44 ist es möglich, den Laserstrahl 70 mit der Bearbeitungsoptik 4 in die Bearbeitungsebene 40 zu fokussieren. Insbesondere ist durch das Teleskop 36 in Verbindung mit der Bearbeitungsoptik 4 eine Abbildung der korrespondierenden Bearbeitungsebene 42 des Strahlbeeinflussungssystems 22 in die Bearbeitungsebene 40 im oder auf dem Material 6 möglich.

Figur 3A zeigt eine zylinderförmige Ausgestaltung des Rotationssystems 3, das in Figur 2 schematisch bezüglich des Strahlengangs gezeigt ist, in einer Draufsicht beziehungsweise aus der Vogelperspektive. Mit anderen Worten ist das Rotationssystem 3 in Form eines flachen Zylinders ausgebildet, in dem die optischen Elemente des Rotationssystems 3 angeordnet sind. Der Laserstrahl 70 wird über das Einkoppelsystem 2 in das Rotationssystem 3 eingeleitet. Durch die Umlenkoptik 32 wird der Laserstrahl 70 in die Ebene der Rotationsscheibe, die XY Ebene, umgelenkt. Der Laserstrahl 70 wird durch die Rotationsoptik 30 geleitet und schließlich durch die Bearbeitungsoptik 4 in das Material 6 eingebracht.

Der Zylinder des Rotationssystems 3 weist einen deutlich größeren Durchmesser als Höhe auf, sodass der Zylinder auch als Scheibe bezeichnet werden kann. Die Rotationsoptik 30 und die Bearbeitungsoptik 4 können an oder in der Scheibe angebracht sein, oder teilweise oder vollständig in dieser integriert sein. Durch geeignete Ausgleichsgewichte lässt sich eine eventuelle Unwucht der Scheibe durch die Bearbeitungsoptik und optischen Komponenten der Rotationsoptik 30 ausgleichen.

In Figur 3B ist eine armförmige Ausgestaltung des Rotationssystems 3 aus der Vogelperspektive gezeigt. Das armförmige Rotationssystem 3 ist hierbei an einem Ende des Armes rotierbar mit dem Einkoppelsystem 2 verbunden. Die Masse des armförmigen Rotationssystems 3 ist typischerweise deutlich geringer, als die des zylinderförmigen Rotationssystems, jedoch kann die Unwucht im armförmigen Rotationssystem 3 deutlich größer sein. Dies kann behoben werden, indem die Rotationsachse 34 durch den Schwerpunkt des armförmigen Rotationssystems 3 verläuft und/oder das armförmige Rotationssystem 3 symmetrisch bezüglich der Rotationsachse 34 ausgebildet wird und beispielsweise zwei einander gegenüberliegende Bearbeitungsoptiken 4 aufweist.

Sowohl in Figur 3A als auch Figur 3B rotiert das gesamte Rotationssystem über das darunter angeordnete zu bearbeitende Material 6, beziehungsweise das Werkstück, was zu einer hohen Bahngeschwindigkeit am Ort der Bearbeitungsoptik 4 führt und somit zu einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit beziehungsweise einem hohen Durchsatz führt. Durch das schnelle Ablenksystem können trotz der hohen Bahngeschwindigkeit zwei aufeinanderfolgende Pulse bei hoher Repetitionsrate auch auf der gleichen Position deponiert werden, solange die Verschiebung durch die Rotation innerhalb des Arbeitsfeldes stattfindet.

In Figur 4 ist das Bearbeitungsfeld 400, das mittels der Vorrichtung 1 zur Bearbeitung des Materials ohne weitere Relativverschiebung zwischen der Vorrichtung 1 und dem Material 6 erreicht werden kann, gezeigt. Das Bearbeitungsfeld 400 kann hier verstanden werden, als die zeitliche Überlappung der Arbeitsfelder 706. Das Arbeitsfeld 706 ist insbesondere in der Bearbeitungsebene 40 der Bearbeitungsoptik 4 angeordnet.

Durch die Rotation des Rotationssystems 3 in Verbindung mit der initialen Ablenkung des eintreffenden Laserstrahls in dem Strahlbeeinflussungssystem 22 kann ein Bearbeitungsfeld 400 abgefahren werden, das einem Kreisring entspricht.

Mit anderen Worten entspricht das Bearbeitungsfeld 400 durch die Ablenkung durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 nicht nur einem einfachen Kreis mit dem Radius R (wie er bei feststehender Bearbeitungsoptik 4 erreicht werden würde), sondern einem ausgedehnten Kreisring unter Annahme einer runden Bearbeitungsebene 40, welches von einem quadratischen Arbeitsfelde 706 weitestgehend ausgefüllt ist. Mittels des Strahlbeeinflussungssystems 22 kann die jeweilige Position des in das Material 6 eingetragenen Pulses im Rahmen der durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 ermöglichten Ablenkung innerhalb des entsprechenden Arbeitsfeldes 706 beeinflusst werden.

Das Strahlbeeinflussungssystem 22 ermöglicht es damit, einzelpulsgenau und mit einer Ablenkrate von bis zu mehreren Megahertz die Position jedes Pulses innerhalb eines kleinen Arbeitsfelds 706 festzulegen (Random-Access-Scan). Das Arbeitsfeld ist hierbei beispielsweise zwischen 2 und 500 Fokusdurchmessern groß, so dass eine relativ kleine Änderung der Positionsänderung durchgeführt werden kann, diese aber mit einer sehr hohen Geschwindigkeit. Damit ist es möglich, bei einer Rotation des Rotationssystems 3 um die Rotationsachse 34 herum die jeweiligen Pulse oder auch Pulszüge oder Bursts an den schematisch durch das Arbeitsfeld 706 angedeuteten Positionen in das Material 6 einzutragen. Da die Strahlbeeinflussungseinheit 22 sehr schnell ist, kann entsprechend ein genaue Positionierung des Fokus im Material 6 während der Rotation des Rotationssystems 3 erreicht werden. Damit kann zum einen eine sehr genaue Positionierung der jeweiligen Foki in dem Material 6 ermöglicht werden und andererseits auch die Vorschubgeschwindigkeit einer Relativbewegung zwischen der Vorrichtung 1 und dem Material 6 bei gleichbleibender Auflösung erhöht werden.

Es können durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 auch Positionen angefahren werden, die bei einem kontinuierlichen Vorschub zwischen der Vorrichtung 1 und dem Material 6 aufgrund der ständigen Bewegung der Vorrichtung 1 und damit der Bearbeitungsoptik 4 in Vorschubrichtung ohne das Strahlbeeinflussungssystem 22 nicht angefahren werden könnten. Das Strahlbeeinflussungssystem 22 kann dabei quasi auch Punkte ansteuern, die in Vorschubrichtung schon „hinter“ dem geometrisch durch die Bearbeitungsoptik 4 vorgegebenen Kreis liegen würden.

Mit anderen Worten können durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 während der Rotation des Rotationssystems 3 ultrakurze Laserpulse flexibel an den von dem Kreisring überstrichenen Positionen in das Material 6 eingebracht werden.

Mittels des Strahlbeeinflussungssystems 22 kann weiterhin auch oder alternativ eine Formung des Laserstrahls so vorgenommen werden, dass auch die Fokusposition in der Bearbeitungsebene 40 variiert werden kann. Somit kann beispielsweise auch die Variation der Fokusposition in der Bearbeitungsebene 40 als Formung verstanden werden. Mit anderen Worten kann mittels des Strahlbeeinflussungssystems 22 nicht nur eine schnelle Positionierung in der x/y-Ebene erreicht werden, sondern auch eine schnelle Positionierung in der z-Richtung, so dass durch die Verwendung des vorgelagerten Strahlbeeinflussungssystems 22 ein besonders flexibler und präziser Einsatz der Vorrichtung 1 erreicht werden kann.

Durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 kann der Laserstrahl 70 auch oder alternativ so beeinflusst werden, dass er in seiner Form verändert wird. Beispielsweise kann der Laserstrahl 70 in zwei Teillaserstrahlen 702, 704 aufgespaltet werden, mit denen dann gleichzeitig eine Bearbeitung des Materials 6 vorgenommen werden kann. In dem gezeigten Beispiel weisen die zwei Teillaserstrahlen ein linienförmiges Strahlprofil auf, wobei beide Strahlprofile parallel zueinander und übereinander ausgerichtet sind.

Durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 kann auch oder alternativ eine sogenannte Multispot Intensitätsverteilung erzeugt werden, wobei einer Vielzahl von Teillaserstrahlen erzeugt werden. Diese Struktur entspricht beispielsweise einer gleichzeitigen Belegung aller Positionen im schematisch gezeigten Arbeitsfeld 706. Die erzeugten Teillaserstrahlen können auch individuell in ihrer Form verändert werden, sprich in ihrem Strahlquerschnitt. Beispielsweise kann ein erster Teillaserstrahl einen rechteckigen Strahlquerschnitt aufweisen und ein anderer Teillaserstrahl einen runden Strahlquerschnitt aufweisen.

Sowohl die Multispot-Intensitätsverteilung also auch die linienförmigen Strahlprofile sind jeweils Bearbeitungsgeometrien 700 die in das Material eingebracht werden.

In Figur 5 ist exemplarisch eine Bearbeitungsstrategie zum Bearbeiten von Material 6 mit der Vorrichtung 1 dargestellt. Durch eine Synchronisation des Einkoppelsystems 2, insbesondere des Strahlbeeinflussungssystems 22, des Rotationssystems 3 und des Ultrakurzpulslasers 7, kann je nach momentaner Position der Bearbeitungsoptik 4 im Kreissegment auch die aktuelle Ablenkung durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 angepasst werden.

Insbesondere wird das Bild durch die Anpassung mit dem Strahlbeeinflussungssystem 22 nicht mitrotiert, so dass die Bearbeitungsgeometrie in der Bearbeitungsebene nur versetzt beziehungsweise verschoben erscheint. Eine Mikrostrukturierung ist somit flexibel und ohne Bindung an das rotierende Koordinatensystem, sondern im ortsfesten Koordinatensystem des Materials 6 möglich. Insbesondere können das Material 6 und der Laserstrahl 70 während der Bearbeitung relativ zueinander verschoben werden.

So lassen sich flächige Mikrostrukturen durch eine Kombination mehrere Achsbewegungen, nämlich durch schnelle Rotation um die Rotationsachse 34 und die Translation entlang der XYZ- Achsen mit der einzelpulsgenauen Ablenkung des Laserstrahls 70 durch die Strahlbeeinflussungsoptik 22 erzeugen.

Zur Skalierung der zu bearbeitenden Fläche kann unter Beibehaltung der vorgegebenen numerischen Apertur, der Fokussierung und des Strahlbeeinflussungssystems 22, besonders bevorzugt ausgebildet durch eine akustooptische Deflektoren-Einheit, der Radius R der Rotationsbewegung unter Anpassung des oder durch Ergänzung eines weiteren Relay-Teleskops gesteigert werden, wobei typisch die Auflösung in der Bearbeitungsebene und die Ringstärke des Kreisrings erhalten bleiben.

Figur 6 zeigt eine weitere detaillierte Ansicht von Bearbeitungsstrategien.

In Figur 6A werden zunächst Laserstrahlen 70 entlang des Kreisrings in das Material eingebracht, wodurch das Material 6 beispielsweise mikrostrukturiert wird (schematisch angedeutet durch schwarze Dreiecke). Jedes der Symbole kann hierbei wiederum eine Multispot-Geometrie sein. Währenddessen werden die Vorrichtung 1 und das Material 6 mittels einer Verschiebeeinrichtung relativ zueinander verschoben.

In Figur 6B hat sich durch den Vorschub V entlang der x-Achse der Kreisring und somit der durch den Laserstrahl 70 überstreichbare Bereich verschoben. Durch die schnelle Ansteuerung des Strahlbeeinflussungssystems 22 und die gemeinsame Zeitbasis des Ultrakurzpulslasers 7 mit dem Rest des Systems können nun an den Stellen in dem Kreisring Laserpulse eingebracht werden, an denen durch die vorhergehende Bearbeitung in Figur 6A noch kein Laserpuls eingebracht wurde. Somit wird die Bearbeitung des Materials 6 während der Überfahrt mit dem Vorschub sukzessive ergänzt (schematisch dargestellt als schwarze Kreise).

In Figur 6C hat sich der Kreisring durch den Vorschub erneut entlang der x-Achse verschoben. Abermals werden die vorherigen Bearbeitungsschritte (graue Symbole) durch die Laserpulse ergänzt (schematisch dargestellt durch schwarze Quadrate). In Figur 6D ist der Kreisring durch den Vorschub abermals versetzt, wobei die letzten Lücken in dem bisherigen Bearbeitungsfeld bearbeitet werden (schwarze Dreiecke).

In Figur 6E ist der finale Zustand der Bearbeitung gezeigt. Durch den Vorschub durch die Vorschubvorrichtung 7 und die Rotation des Rotationssystems 3 in Kombination mit der schnellen Positionierung innerhalb des Kreisrings durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 konnte das Material 6 ganzflächig bearbeitet werden, wobei ein kontinuierlicher Vorschub und damit eine effiziente Bearbeitung gegeben ist. Die bearbeitete Fläche ist unabhängig von den gewählten Kreisen und Kreisringen, da die bearbeiteten Flächen während des Vorschubs erweitert und ergänzt werden.

In Figur 6F ist die Trajektorie der Bearbeitungsoptik 4 gezeigt, die während des Vorschubs mit der Vorschubvorrichtung 7 über dem Material 6 entsteht. Durch die überlagerte Rotation um die Rotationsachse 34 mit dem Vorschub entsteht eine Spiralform. Entlang der Spiralform können innerhalb des zur Verfügung stehenden Arbeitsfeldes der Bearbeitungsoptik 4 Materialmodifikation beziehungsweise Mikrostrukturen in das Material 6 eingebracht werden.

Figur 7A zeigt eine weitere Ausführungsformen des Rotationssystems 3. Im Rotationssystem 3 ist eine Rotationsoptik verbaut, die einen abbildenden Spiegel 32 enthält. Der abbildende beziehungsweise gekrümmte Spiegel 32 ist eine besondere Ausgestaltung der Umlenkungsoptik 32. Durch diese Abbildung des Strahls in Verbindung mit der anschließenden Bearbeitungsoptik 4 kann eine Vergrößerung beziehungsweise eine Verkleinerung der Bearbeitungsgeometrie erzeugt werden, welche vom Strahlbeeinflussungssystem 22 in der korrespondierenden Bearbeitungsebene 42 erzeugt wird.

Je nach Realisierung der Umlenkoptik 32 muss die Position der korrespondierenden Bearbeitungsebene 42 beispielsweise durch ein Relay-Teleskop 30 angepasst werden, so dass eine gezielte Abbildung auf dem Werkstück erreicht wird.

In Figur 7B ist eine besondere Ausgestaltung der Bearbeitungsoptik 4 gezeigt. Die Bearbeitungsoptik 4 ist hier in Form eines Schwarzschildobjektivs ausgebildet. Ein Schwarzschildobjektiv besteht aus einer Kombination von konvexen und konkaven Spiegeln. Idealerweise sind die Spiegelsysteme rotationssymmetrisch aufgebaut. Das Laserlicht fällt durch eine Öffnung des konkaven Spiegels, gewissermaßen durch die Rückseite des konkaven Spiegels, auf einen konvexen Spiegel. Der konvexe Spiegel reflektiert das Licht zurück zum konkaven Spiegel, wo er abermals reflektiert und am konvexen Spiegel vorbei in einen Brennpunkt gelenkt wird. Die Reflexion findet in den Brennpunkt des Schwarzschildobjektivs statt, wobei die Abbildung durch die Krümmungseigenschaften der verschiedenen Spiegeloberflächen gegeben wird. Das Schwarzschildobjektiv ist ein sogenanntes Spiegelobjektiv und erlaubt die Abbildung der korrespondierenden Bearbeitungsebene 42 auf oder in das Material 6, ohne dass das Licht durch ein optisches Element dringen muss. Dadurch wird verhindert, dass der Laserstrahl 70 in einem der verbauten optischen Materialien absorbiert wird und ist entsprechend besonders geeignet für bestimmte Wellenlängen des Lasers.

Ein Schwarzschildobjektive weist jedoch eine Bildfeldkrümmung auf. Will man mit einem Schwarzschildobjektiv eine flache Bearbeitungsebene realisieren, muss die Bildfeldkrümmung vorkompensiert werden. Dies kann beispielsweise in der Rotationsoptik oder der Strahlbeeinflussungsoptik geschehen, indem dort mit einer geeigneten optischen Konstruktion beispielsweise eine gekrümmter korrespondierende Bearbeitungsebene zur Verfügung gestellt wird. In Figur 8 ist eine weitere Variante der Vorrichtung 1 gezeigt. Im Unterschied zum Aufbau aus Figur 2 weist das Rotationssystem 3 nicht nur einen einzigen Strahlengang für den Laserstrahl 70 auf. Vielmehr wird durch eine Umlenkoptik, die eine Mehrzahl von Spiegeln 32, 32‘ umfasst, eine Vielzahl von möglichen Strahlengängen realisiert.

Durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 werden beispielsweise zwei verschiedene Teillaserstrahlen oder Anordnungen von Teillaserstrahlen zur Verfügung gestellt. Dies kann auch durch eine mögliche Strahlteilung innerhalb des Strahlbeeinflussungssystems 22 geschehen. Eine erste Anordnung von Teillaserstrahlen kann hierbei auf den Spiegel 32 fallen, wohingegen eine andere Anordnung von Teillaserstrahlen auf den Spiegel 32‘ fällt. Beide Anordnungen werden somit durch die Umlenkoptik 32 auf verschiedene Strahlengänge gelenkt, sodass die verschiedenen Bearbeitungsgeometrien über verschiedene Bearbeitungsoptiken 4, 4‘ in das Material 6 eingebracht werden.

Insbesondere kann die Umlenkoptik 32 schaltbar realisiert werden. Dies bedeutet beispielsweise, dass durch einen spezifischen Strahlengang des Rotationssystems 3 jeweils nur eine spezifische Bearbeitungsgeometrie in das Material 6 eingebracht wird. Insbesondere kann eine schaltbare Realisierung auch bedeuten, dass ein Strahlengang in das Rotationssystem 3 zugeschaltet werden kann oder abgeschaltet werden kann, sodass eine gewisse Bearbeitungsgeometrie nur bei bestimmten Winkelausrichtung des Rotationssystems 3 eingebracht werden kann.

Insbesondere kann der Laserstrahl 70 über eine Ansteuerung des Strahlbeeinflussungssystems 22, bevorzugt über eine Ansteuerung der akustooptischen Deflektoren-Einheit 22, in mehrere Teillaserstrahlen aufgespaltet werden, wobei die akustooptische Deflektoren-Einheit 22 den jeweiligen Teilstrahl auf eine der möglichen Umlenkoptiken 32 lenken kann. Beispielsweise kann bei dem in Figur 8 gezeigten Aufbau mit einem akustooptischen Deflektor eine erste Strahlhälfte auf den linken Spiegel 32 geleitet werden und danach eine zweite Strahlhälfte auf den rechten Spiegel 32‘.

Die korrespondierende Bearbeitungsebene wird somit aufgeteilt in einen Bereich, der in den linken Arm abgebildet wird und einen Bereich, der in den rechten Arm abgebildet wird. Die Größe der den einzelnen Armen zugänglichen Teile der korrespondierenden Bearbeitungsebene kann durch eine Variation der akustooptischen Deflektoren-Einheit 22 erreicht werden, indem beispielsweise eine Bewegung eines Galvano-Scanners mit der Ablenkung der akustooptischen Deflektoren-Einheit überlagert wird. Damit kann schnell zwischen den Armen hin und her geschaltet werden und ein durch die Rotation mitgeführter radialer Offset kann durch Springen von einem Arm zum anderen kompensiert werden.

Insbesondere kann es auch sein, dass der Laserstrahl nicht in Teillaserstrahlen aufgespaltet wird, sondern dem Laserstrahl 70 durch das Strahlbeeinflussungssystem 22 eine Bearbeitungsgeometrie aufgeprägt wird und diese entweder auf den Spiegel 32 oder auf den Spiegel 32‘ geleitet wird. Auch wenn sich das Rotationssystem 3 mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit bewegt, kann über das Strahlbeeinflussungssystem 22 in Form einer akustooptischen Deflektoren-Einheit sichergestellt werden, dass der Laserstrahl 70 über die Umlenkoptik 32 in den gewünschten Strahlengang gelenkt wird.

Die in Figur 8 dargestellte Ausprägung kann aber auch erreichen, dass die durch ein Strahlbeeinflussungssystem 22 bereitgestellte Bearbeitungsgeometrie durch die Umlenkoptik lediglich dupliziert wird, sodass die Bearbeitungsgeometrie über zwei verschiedene Strahlengänge im Wesentlichen zeitgleich in das Material 6 eingebracht wird.

In Figur 9A ist eine weitere Form der Umlenkoptik 32 gezeigt. Die Umlenkoptik 32 kann eine Prismenform aufweisen, wobei die Prismenoberflächen beispielsweise verspiegelt sind. Insbesondere kann das Prisma eine Vielzahl von verspiegelten Oberflächen aufweisen, wobei die Anzahl der verspielen Oberflächen vorzugsweise der Anzahl an möglichen Strahlengängen des Rotationssystems 3 entspricht.

In Figur 9B ist eine weitere Form des Rotationssystems 3 gezeigt. Das Rotationssystem 3 weist eine Rotationsoptik 30 auf, welche fünf Strahlengänge aufweist. Jeder der fünf Strahlengänge mündet in einer eigenen Bearbeitungsoptik 4 durch welche die Bearbeitungsgeometrie des Laserstrahls 70 in oder auf das Material 6 abgebildet werden kann. Die Umlenkoptik 32 weist zu diesem Zweck einen fünfeckigen Grundriss auf, wobei sich die verspiegelten Oberflächen der Umlenkoptik 32 aus den Facetten der gewissermaßen fünfseitigen, pyramidalen Form der Umlenkoptik 32 ergeben.

Eine akustooptische Deflektoren-Einheit 22 kann den Laserstrahl 70 zwischen den verschiedenen Bearbeitungsarmen beziehungsweise Strahlengängen des Rotationssystems 3 hin und her schalten und so jeweils eine der Bearbeitungsoptiken 4 adressieren. Insbesondere können mehrere Strahlengänge, beispielsweise durch schnell geschaltete Multispots, simultan und nicht nur sequenziell adressiert werden. Dies bedeutet, dass durch mehrere Bearbeitungsoptiken 4 gleichzeitig eine Materialbearbeitung erfolgen kann. In Figur 10 ist eine erweiterte Variante der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei das Strahlbeeinflussungssystem 22 eine akustooptische Deflektoren-Einheit 28, eine Abbildungseinheit 27 und einen Galvano-Scanner 26 umfasst. Die akustooptische Deflektoren-Einheit 28 lenkt den einfallenden Laserstrahl 70 ab, wird durch die Abbildungseinheit 27 in den Galvano-Scanner überführt, wobei der Galvano-Scanner 26 dem Laserstrahl 70 einen zusätzlichen Positionsoffset in der korrespondierenden Bearbeitungsebene 42 aufprägt. Dadurch wird das zugängliche Arbeitsfeld mit der Bearbeitungsoptik 4 vergrößert. Insbesondere kann dadurch eine zweidimensionale Verschiebung der Abbildung des Hochgeschwindigkeitsscanfeldes der akustooptischen Deflektoren-Einheit 28 auf das Material 6 bewirkt werden.

In Figur 10B ist eine Aufsicht auf den durch die Bearbeitungsoptik 4 der Figur 10 A adressierbaren Kreisring im nicht rotierten Koordinatensystem des Einkoppelsystems gezeigt. Durch den Galvano- Scanner 26 ist es möglich den zugänglichen Kreisring weiter zu vergrößern.

In Figur 11 A, B ist eine Vorrichtung 1 in der Seitenansicht und in der Draufsicht gezeigt, welche zur Bearbeitung von Folien 6 verwendet werden kann. Die Folien 6 können hierbei beispielsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess auf einer Rolle aufgewickelt sein, zur Bearbeitung abgewickelt werden, und nach der Bearbeitung wieder zu einer Rolle aufgewickelt werden. Die Folien 6 können hierbei insbesondere zur Bearbeitung in eine hohlzylindrische Form gezogen werden, wobei die Rotationsachse weitgehend mit der Zylinderachse zusammenfällt, bevorzugt exakt zusammenfällt. Insbesondere kann in diesem Fall der Vorschub V entlang der Zylinderachse orientiert sein, so dass durch ein eindimensionales Verfahren der Vorrichtung 1 entlang der Zylinderachse bei gleichzeitigem Rolle-zu-Rolle-Transport der Folie eine Bearbeitung der gesamten Folie 6 ermöglicht wird.

Insbesondere kann in dem vorliegenden Fall auf eine Umlenkung des Laserstrahls 70 vom Übergang von Rotationsoptik 3 auf die Bearbeitungsoptik 4 verzichtet werden, so dass der Bearbeitungsvorgang mit einer optisch und mechanisch stabileren Vorrichtung 1 durchgeführt werden kann.

In Figur 12 ist eine Vorrichtung 1 gezeigt, bei der das Strahlbeeinflussungssystem 2 ein Axicon ist. Durchläuft der Laserstrahl 70 das Axicon, so wird dem Laserstrahl 70 ein nicht-beugendes Strahlprofil aufgeprägt. Insbesondere wird im vorliegenden Fall der Laserstrahl 70 von der Rotationsoptik 3 zur Bearbeitungsoptik 4 nicht umgelenkt, so dass sich die gezeigte Vorrichtung 1 für das Bearbeiten mindestens abschnittsweise zylinderförmiger Materialien 6 eignet. Es ist aber auch möglich ein Axicon in einer anderen Konfiguration der Vorrichtung 1 zu verwenden, beispielsweise die der Figuren 1 bis 10.

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 Einkoppelsystem

20 Einkoppeloptik

22 Strahlbeeinflussungssystem

24 Verbindungselement

26 Galvano-Scanner

27 Abbildungseinheit

28 akustooptische Deflektoren-Einheit

3 Rotationssystem

30 Rotationsoptik

32 Umlenkoptik

34 Rotationsachse

36 Teleskop

38 Auskoppelspiegel

4 Bearbeitungsoptik

40 Bearbeitungsebene

400 Bearbeitungsfeld

42 korrespondierende Bearbeitungsebene

44 Piezo-Shifter

5 Vorschubvorrichtung

6 Material

7 Ultrakurzpulslaser

70 Laserstrahl

700 Bearbeitungsgeometrie

702 Teillaserstrahl

704 Teillaserstrahl

706 Arbeitsfeld

8 Steuerung