QUASI-NICHTBEUGENDEN LASERSTRAHL

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Strahl. Ferner betrifft die Erfindung eine La- serb earb eitungsanl age .

Unabhängig von der linearen Absorption kann ein Werkstück mithilfe der nichtlinearen Absorption von hochintensiver Laserstrahlung bearbeitet werden. Dazu können eine oder mehrere Modifikationen in einem Werkstück mit der hochintensiven Laserstrahlung erzeugt werden, wenn eine nichtlineare Absorption der hochintensiver Laserstrahlung im Material des Werkstücks eintritt. Modifikationen können sich auf die Struktur des Materials auswirken und beispielsweise zum Bohren, zum Trennen durch induzierte Spannungen, zum Bewirken einer Modifikation des Brechungsverhaltens oder für selektives Laserätzen eingesetzt werden. Siehe hierzu zum Beispiel die Anmeldungen WO 2016/079062 Al, WO 2016/079063 Al und WO 2016/079275 Al der Anmelderin im Bereich der Bearbeitung von im Wesentlichen transparenten Werkstücken. Strahlformungselemente und optische Systeme, mit denen in Strahlpropagationsrichtung langgezogene, schlanke Strahlprofile mit einem hohen Aspektverhältnis für die Laserbearbeitung bereitgestellt werden können, werden z.B. in der genannten WO 2016/079275 Al beschrieben.

Bei teiltransparenten Werkstücken liegt eine lineare Absorptionsfähigkeit des Materials des Werkstücks hinsichtlich Laserstrahlung vor. Beispielsweise weisen teiltransparenten Werkstücke eine Absorption (unabhängig von der Intensität der eingestrahlten Laserstrahlung) mit Absorptionskoeffizienten im Bereich von ca. 0,1/mm bis ca. 2,5/mm auf, entsprechend typischen Transmissionen im Bereich von 90 % bis 10 % pro Millimeter Materi al dicke, beispielsweise 60 % pro 1 mm Glasdicke. Eine Laserbearbeitung von teiltransparenten Werkstücken unterscheidet sich von der Laserbearbeitung eines Materials, das im Wesentlichen transparent für die Laserstrahlung ist, d.h., eine vernachlässigbare lineare Absorption aufweist, darin, dass die im Material propagierende Laserstrahlung vom Material zusätzlich linear absorbiert wird. Somit wird umso mehr Laserstrahlung absorbiert, je weiter die Laserstrahlung durch das Material propagiert. Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks mit einer in Propagationsrichtung langgezogenen Fokuszone zu ermöglichen. Insbesondere sollen Strahlformungsansätze, wie sie für die Laserbearbeitung von transparenten Werkstücken entwickelt wurden, auch bei teiltransparenten Werkstücken einsetzbar werden.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 1, durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14 und durch ein Verfahren zum Ausbilden eines Strahlformungselements nach Anspruch 19. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einem Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi -nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, die Schritte:

Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks, wobei mit dem optischen Strahlformungssystem eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls zur Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung vorgenommen wird, und

Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks, sodass der quasi -nichtbeugende Laserstrahl ausgebildet wird und die Fokuszone eine entlang der Längsrichtung einstellbare Intensitätsverteilung aufweist, wobei die Phasenaufprägung derart eingestellt ist, dass beim Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist.

In einem weiteren Aspekt betrifft diese Offenbarung eine Laserbearbeitungsanlage für eine Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Intensität der Laserstrahlung unabhängig ist. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst eine Laserstrahlquelle, die einen gepulsten Laserstrahl ausgibt, und ein optisches Strahlformungssystem zur Strahlformung des Laserstrahls für die Ausbildung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone. Das optische Strahlformungssystem umfasst eine Strahlanpassungsoptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl als Rohlaserstrahl mit einem Strahldurchmesser auszugeben, und ein Strahlformungselement, das dazu eingerichtet ist, eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls zur Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung für einen vorgegebenen Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls derart vorzunehmen, dass beim Fokussieren der phasenaufgeprägter Laserstrahlung (5_PH) in das teiltransparente Material des Werkstücks (3) der quasi-nichtbeugende Laserstrahl (5) mit einer resultierenden Intensitätsverteilung erzeugt wird, die in der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst ferner eine Werkstückhalterung zur Lagerung des Werkstücks, wobei das optische Strahlformungssystem und/oder die Werkstückhalterung dazu eingerichtet sind, eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zu bewirken, bei der der quasi-nichtbeugende Laserstrahl entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks positioniert wird.

In einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, die Schritte:

Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks, wobei mittels des optischen Strahlformungssystems eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart erfolgt, dass der quasi-nichtbeugende Laserstrahl an der Fokuszone eine in der Längsrichtung einstellbare, insbesondere variierend eingestellt wie variable Intensitätsverteilung aufweist, und

Einstellen der Phasenaufprägung derart, dass eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls beim Einstrahlen in das teiltransparente Material des Werkstücks an der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist. In einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist, die Schritte:

Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem, das zur Ausgabe von phasenaufgeprägter Laserstrahlung für die Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks eingerichtet ist, wobei mittels des optischen Strahlformungssystems eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart erfolgt, dass der quasi -nichtbeugende Laserstrahl in der Fokuszone ohne Berücksichtigung von linearer Absorption eine in der Längsrichtung variable Intensitätsverteilung aufweist,

Einstellen der Phasenaufprägung derart, dass bei einem Einstrahlen der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone in der Längsrichtung zumindest näherungsweise konstant ist, und

Einstrahlen der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks zum Ausbilden des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls für die Materialbearbeitung.

Ein weiterer Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Ausbilden eines, insbesondere diffraktiven optischen, Strahlformungselements, das zur Verwendung bei der Materialbearbeitung eines Werkstücks in einem optischen Strahlformungssystem für die Strahlformung eines quasi-nichtbeugenden Laserstrahls aus einem Rohlaserstrahl vorgesehen ist, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Bereitstellen eines linearen Absorptionsparameters des teiltransparenten Materials im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls, insbesondere durch Messung eines linearen Absorptionsparameters;

Festlegen einer Ziel-Intensitätsverteilung als zu erreichende resultierende Intensitätsverteilung im Werkstück entlang einer optischen Achse des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls, bei der zum Modifizieren des Materials des Werkstücks an einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse zumindest abschnittsweise eine Intensität der Ziel-Intensitätsverteilung über einer Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption liegt, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist;

Vorgeben eines transversalen Strahlprofils, insbesondere eines Strahldurchmessers, des Rohlaserstrahls, auf das eine zweidimensionale Phasenverteilung aufzuprägen ist;

Berechnen einer zweidimensionalen Phasenverteilung für das transversale Strahlprofil durch:

- Unterteilen des transversalen Strahlprofils in, insbesondere ringförmig ausgebildete, Strahl querschnittsb er ei ehe,

- Zuordnen von, insbesondere identischen linearen, Phasenanstiegen in radialer Richtung über die Strahlquerschnittsbereiche als Anfangsphasenverteilung, und

- iteratives Anpassen der Phasenanstiege in den Strahlquerschnittsbereiche und Berechnen der sich im Werkstück nach Durchstrahlen des optischen Strahlformungssystems mit dem Rohlaserstrahl ergebenden Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse unter Berücksichtigung von durch den linearen Absorptionsparameter gegebener linearer Absorption solange, bis eine die lineare Absorption kompensierende zweidimensionale Phasenverteilung vorliegt, mit der sich die Ziel-Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse im Werkstück als resultierende Intensitätsverteilung ergibt; und

Versehen des Strahlformungselements mit der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung.

In einem weiteren Aspekt betrifft diese Offenbarung ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist, das für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Laserstrahlungsintensität unabhängig ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Einstrahlen eines gepulsten Rohlaserstrahls in ein optisches Strahlformungssystem zur Strahlformung des Rohlaserstrahls, wobei das optische Strahlformungssystem dazu eingerichtet ist, eine Phasenaufprägung auf einen Strahl querschnitt des Rohlaserstrahls derart vorzunehmen, dass Laserstrahlung des Rohlaserstrahls zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse angeordneten Positionen im Werkstück in einem Einlaufwinkelbereich (von beispielsweise ca. 5° bis ca. 25° im teiltransparenten Material - entsprechend bis ca. 40° in Luft) bezüglich der optischen Achse geführt wird und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl an der Mehrzahl von Positionen ausbildet, wobei Intensitätsverluste aufgrund der linearen Absorption bei der Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten, und

Einstellen der Phasenaufprägung derart, dass Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils im teiltransparenten Material vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, überschritten wird.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart eingestellt sein, dass Laserstrahlung zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse angeordneten Positionen im Werkstück in einem Einlaufwinkelbereich, der insbesondere Einlaufwinkel im Bereich von beispielsweise ca. 5° bis ca. 25° im teiltransparenten Material des Werkstücks - entsprechend bis ca. 40° in Luft - umfasst, bezüglich der optischen Achse geführt wird und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl mit der resultierenden Intensitätsverteilung an der Mehrzahl von Positionen ausbildet, wobei Intensitätsverluste aufgrund der linearen Absorption bei einer Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten. Die Phasenaufprägung kann derart eingestellt sein, dass an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption überschritten wird, wobei die nichtlineare Absorption im teiltransparenten Material von einer jeweils vorliegenden Intensität der Laserstrahlung abhängig ist.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann Laserstrahlung, die unter einem ersten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, einen Phasenunterschied von weniger als Pi/4 bezüglich Laserstrahlung, die unter einem zweiten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Phasenaufprägung derart eingestellt sein, dass die Laserstrahlung rotationssymmetrisch an die Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass jeder der mehreren Winkel einen lokalen Konuswinkel darstellt. In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann das Einstellen der Phasenaufprägung ein Einstellen von Phasenanstiegen in radialer Richtung, die auf Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls aufgeprägt werden, und/oder ein Einstellen von geometrischen Parametern von Strahlquerschnittsbereichen, in denen ein oder mehrere Phasenanstiege aufgeprägt werden, umfassen.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens können die Strahlquerschnittsbereiche mindestens zwei ringförmig oder ringabschnittförmig ausgebildete Strahlquerschnittsbereiche umfassen und die Phasenanstiege für die zwei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereiche derart eingestellt werden, dass Laserstrahlung von den zwei ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereichen einer gemeinsamen Position der Mehrzahl von Positionen unter zwei unterschiedlichen Konuswinkeln zugeführt wird.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann zusätzlich zum Einstellen der Phasenaufprä- gung in Strahlquerschnittsbereichen ein Einstellen von den Intensitätsanteilen einer Rohlaserstrahlintensität, die den Strahlquerschnittsbereichen zugeordnet sind, vorgenommen werden, um die resultierende Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone zu bewirken.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Phasenaufprägung für eine vorgegebene transversale Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls, insbesondere einen vorgegebenen Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls, und eine vorgegebene lineare Absorption des teiltransparenten Materials des Werkstücks eingestellt werden. Für ein Material mit einer linearen Absorption, die von der vorgegebenen linearen Absorption des teiltransparenten Materials abweicht, kann bei unveränderter Phasenaufprägung die transversale Intensitätsverteilung, insbesondere ein Strahldurchmesser, des Rohlaserstrahls eingestellt werden, um einen Intensitätsanteil einer Rohlaserstrahlintensität, der einer Position der Mehrzahl von Positionen zugeführt wird, zu erhöhen oder zu verkleinern.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Phasenaufprägung derart eingestellt werden, dass eine Intensitätsabnahme des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls aufgrund der linearen Absorption im teiltransparenten Material zumindest abschnittsweise kompensiert wird. In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die resultierende Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls entlang der optischen Achse eine Intensitätsverteilung oder eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung aufweisen, die Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls im Bereich von bis zu 10 % umfasst, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf den Teil der Fokuszone bezieht, in dem eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. Optional kann die Intensitätsverteilung oder die Einhüllenden-Intensitätsverteilung insbesondere im Wesentlichen konstant sein.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann basierend auf der nichtlinearen Absorption an einer Mehrzahl von Positionen in der Fokuszone trotz der eintretenden Intensitätsverluste das teiltransparente Material modifiziert werden. Die Modifikation des teiltransparenten Materials können sich über eine Länger des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls erstrecken oder aus einer Aufreihung von Modifikationszonen entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls bestehen.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann als Rohlaserstrahl ein Laserstrahl mit einem Gaußschen transversalen Intensitätsprofil eingesetzt werden und das optische Strahlformungssystem kann dazu eingerichtet sein, einen Bessel-Gauß-Strahl als quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zu formen. Zusätzlich oder alternativ kann sich ein transversales Ausmaß des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls in der Fokuszone entlang der optischen Achse ändern und/oder ein transversales Ausmaß des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls kann an einer Position der Fokuszone von Einfallswinkeln abhängen, mit der Laserstrahlung zur Ausbildung des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls an der Position der Fokuszone auf die optische Achse einfällt.

In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner folgende Schritte umfassen:

Einstellen von Strahlparametem des Rohlaserstrahls derart, dass das teiltransparente Material des Werkstücks modifiziert wird,

Positionieren zumindest eines Abschnitts des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im Werkstück oder

Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, bei der der quasi-nichtbeugende Laserstrahl entlang einer Abtasttrajekto- rie im Werkstück bewegt wird, sodass eine Aufreihung von Modifikationen in das Werkstück entlang der Abtasttrajektorie eingeschrieben wird. In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann das optische Strahlformungssystem ein dif- fraktives optisches Strahlformungselement umfassen und das diffraktive optische Strahlformungselement kann aneinander angrenzende Flächenelemente aufweisen, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen und denen jeweils ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist, wobei die Phasenschiebungswerte eine zweidimensionale Phasenverteilung entsprechend der eingestellten Phasenaufprägung definieren. Beim Einstrahlen des Rohlaserstrahls in das optische Strahlformungssystem kann die Phasenaufprägung mit dem diffraktiven optischen Strahlformungselement bewirkt werden, indem die Phasenverteilung auf den Rohlaserstrahl aufgeprägt wird.

Allgemein kann das optische Strahlformungssystem ein Strahlformungselement umfassen, das nach dem hierin offenbarten Verfahren zum Ausbilden eines Strahlformungselements ausgebildet wurde.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements können die iterativ angepassten Phasenanstiege in Verbindung mit in den Strahlquerschnittsbereichen vorliegenden Intensitätsanteilen des Rohlaserstrahls eine Umverteilung der zum quasi- nichtbeugenden Laserstrahl beitragenden Laserstrahlung entlang der optischen Achse zur Ausbildung der Ziel-Intensitätsverteilung bewirken.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements ein Phasenanstieg einem Winkel entsprechen, unter dem Laserstrahlung zur optischen Achse geführt wird. Die die lineare Absorption kompensierende zweidimensionale Phasenverteilung kann derart iterative bestimmt werden, dass Laserstrahlung zu mindestens einer Position einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse unter mehreren Winkeln geführt wird.

In einigen Weiterbildungen des Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements kann das Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente aufweisen, die mit Phasenschiebungswerten versehen werden, die entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung eingestellt sind. Insbesondere kann das Strahlformungselement als ein Fresnel-Axicon-ähnliches diffraktives optisches Element, dessen Phasenschiebungswerte fest eingestellt sind, oder als ein räumlicher Lichtmodulator, dessen Phasenschiebungswerte entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung eingestellt wurden, ausgeführt sein. In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren zum Ausbilden eines Strahlformungselements ferner umfassen:

Ableiten eines Höhenprofils, insbesondere eines Dickenprofils eines optischen Materials oder eines Spiegelprofils, aus der die lineare Absorption kompensierenden zweidimensionalen Phasenverteilung, wobei eine lokale Höhe einem lokalen Phasenschiebungswert entspricht, und

Ausbilden einer refraktiven oder reflektiven Axicon-Optik mit dem Höhenprofil als das Strahlformungselement.

In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann die Phasenaufprägung auf einen Strahl quer schnitt des Rohlaserstrahls derart mit dem Strahlformungselement eingestellt sein, dass Laserstrahlung des Rohlaserstrahls zu einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse angeordneten Positionen im Werkstück in einem Einlaufwinkelbereich bezüglich der optischen Achse geführt wird und den quasi -nichtbeugenden Laserstrahl an der Mehrzahl von Positionen ausbildet. Intensitätsverluste können aufgrund der linearen Absorption bei der Ausbreitung der Laserstrahlung im teiltransparenten Material zu der Mehrzahl von Positionen eintreten, wobei die Phasenaufprägung ferner derart eingestellt sein kann, dass Laserstrahlung unter mehreren Winkeln aus dem Einlaufwinkelbereich an mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, sodass im teiltransparenten Material an der Mehrzahl von Positionen trotz der eintretenden Intensitätsverluste eine Intensitätsschwelle für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, überschritten wird.

In einigen Weiterbildungen kann die Laserbearbeitungsanlage ferner eine Steuerung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Strahlanpassungsoptik derart einzustellen, dass der Strahldurchmesser am Strahlformungselement größer oder kleiner ist als der vorgegebene Strahldurchmesser um Variationen in der linearen Absorption bezüglich der linearen Absorption für die die Phasenaufprägung bestimmt wurde, auszugleichen.

In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann das Strahlformungselement als ein diffraktives optisches Element, ein räumlicher Lichtmodulator oder ein modifiziertes re- fraktives oder reflektives Axicon ausgebildet sein. In einigen Weiterbildungen der Laserbearbeitungsanlage kann die Phasenaufprägung dazu ausgebildet sein, dass die resultierende Intensitätsverteilung eine Intensitätsverteilung oder eine Einhüllenden-Intensitätsverteilung aufweist, die Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im Bereich von bis zu 10 % umfasst, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf einen Teil der Fokuszone bezieht, in dem eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. Die Intensitätsverteilung oder die Einhüllenden-Intensitätsverteilung kann insbesondere im Wesentlichen konstant sein.

Die hierin offenbarten Konzepte betreffen den Ansatz, dass ein mittels eines optischen Strahlformungssystems ausgebildeter quasi-nichtbeugender Laserstrahl bei der Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone in Luft eine Intensitätsverteilung in der Fokuszone aufweisen kann, die in Längsrichtung (üblicherweise in Strahlausbreitungsrichtung) variiert (d.h., variabel ausgebildet ist/ eingestellt wurde), sodass beim Einstrahlen dieses quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in ein zu bearbeitendes Werkstück eine resultierende Intensitätsverteilung innerhalb des Werkstücks bevorzugt näherungsweise konstant ist. Insbesondere ist dabei der Verlauf der variablen Intensitätsverteilung in Luft auf das lineare Absorptionsverhalten des Materials des Werkstücks abgestimmt. Unter der resultierenden Intensitätsverteilung ist dabei die im teiltransparenten Material vorliegende Intensitätsverteilung zu verstehen, wogegen die genannte variable Intensitätsverteilung ohne Wechselwirkung mit dem linearabsorbierenden Material des Werkstücks (d.h., zum Beispiel in Luft) vorliegt. Für eine Materialbearbeitung umfasst eine näherungsweise konstante Intensitätsverteilung im Material beispielsweise Abweichungen von einer durchschnittlichen Intensität des Laserstrahls im Bereich von z.B. bis zu 10 %, wobei sich die durchschnittliche Intensität auf den Teil der Fokuszone bezieht, in dem die (nichtlineare) Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet.

Der Fachmann wird anerkennen, dass eine erfindungsgemäß vorgenommene Phasenaufprägung mittels eines refraktiven, diffraktiven und/oder reflektiven Strahlformungssystems erfolgen kann. Zusätzlich zur Phasenaufprägung kann es ferner vorgesehen werden, dass mittels des Strahlformungssystems eine Amplitudenaufprägung auf den Rohlaserstrahl vorgenommen wird.

Die hierin offenbarten Konzepte betreffen insbesondere eine Strahlformung, die ein Einlaufen von Strahlanteilen unter einem Einlaufwinkel auf eine Strahlachse des Laserstrahls für die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone durch Interferenz der Strahlanteile bewirkt. Bei der Materialbearbeitung erfolgt das Einlaufen der Strahlanteile teilweise durch das Material des Werkstücks. Insbesondere strahlabwärtsliegende Abschnitte der langgezogenen Fokuszone beruhen somit auf Laserstrahlung, die durch das Material entlang eines optischen Pfades propagiert, dessen Länge in der Größenordnung der Länge der Fokuszone liegt.

Ferner betrifft die hierin beschriebene Strahlformung eine Strahlformung, die einen quasi- nichtbeugenden Strahl für eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse im teiltransparenten Werkstück erzeugt. Insbesondere bei derartigen, sich in Propagationsrichtung über eine signifikante Länge von bis zu einigen Millimetern erstreckenden Fokuszonen kann sich die lineare Absorption auf die Intensitätsverteilung entlang der Fokuszone auswirken. Eine in diesem Zusammenhang betrachtete (longitudinale) Intensitätsverteilung entlang der langgezogenen Fokuszone wird durch den Verlauf eines Maximums der Intensität in Propagationsrichtung charakterisiert. In einigen Ausführungsformen kann der Verlauf eines quasi -nichtbeugenden Strahls mehrere lokale Intensitätsmaxima entlang der langgezogenen Fokuszone aufweisen, sodass in diesen Ausführungsformen eine die lokalen Intensitätsmaxima einhüllende Funktion für die (longitudinale) Intensitätsverteilung (Einhüllenden-Intensi- tätsverteilung) herangezogen werden kann. Ferner kann an jeder Position in Propagationsrichtung, insbesondere an jedem lokalen Intensitätsmaximum, eine transversale Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Strahls betrachtet werden.

Mit Blick auf eine Laserbearbeitung spricht man von einer langgezogenen Fokuszone, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (als Ausdehnung des quasi -nichtbeugenden Strahls in Propagationsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zum quasi-nichtbeugenden Strahl (Durchmesser des Intensitätsmaximums)) von mindestens 10: 1, beispielsweise 20: 1 und mehr oder 30: 1 und mehr, oder 1000: 1 und mehr, gekennzeichnet ist. Im Fall einer modulierten Intensitätsverteilung kann das Aspektverhältnis auf die erwähnte einhüllende Funktion der Intensitätsverteilung bezogen werden.

Ein quasi -nichtbeugender Strahl kann bei entsprechend ausreichender Intensität in der langgezogenen Fokuszone zu einer Modifikation im Material mit einem ähnlichem Aspektverhältnis oder zu einer Anordnung von mehreren Modifikationszonen, die von einer Einhüllenden mit einem entsprechenden Aspektverhältnis begrenzt werden, führen. Die Modifikation/die Anordnung von mehreren Modifikationszonen kann sich bevorzugt über eine Länger des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (5) erstrecken.

Allgemein kann bei den hierin offenbarten quasi -nichtbeugenden Strahlen mit derartigen Aspektverhältnissen im Material eine maximale Änderung der transversalen Ausdehnung der Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, bezogen auf eine durchschnittliche transversale Ausdehnung liegen, wobei sich die durchschnittliche transversale Ausdehnung auf den Teil der Fokuszone bezieht, in dem die (nichtlineare) Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks stattfindet. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der transversal en/lateralen Ausdehnung der Modifikation.

Die hierin beschriebenen Konzepte sind dazu vorgesehen, auch in teiltransparenten Materialien langgezogene Fokuszonen und entsprechend langgezogene Modifikationen mit hohen Aspektverhältnissen zu erzeugen.

Die hierin offenbarten Aspekte betreffen insbesondere die laserbasierte Materialbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks, dessen lineare Absorption durch einen Absorptionskoeffizient im Bereich von ca. 0,1/mm bis ca. 2,5/mm gegeben ist.

Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 Abbildungen zur Verdeutlichung von quasi -nichtbeugenden Strahlen im Vergleich mit einem Gauß-Strahl,

Fig. 2 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage für die Materialbearbeitung,

Fig. 3 A bis 3F schematische Skizze zur Verdeutlichung der Ausbildung eines quasi -nichtbeugenden Strahls in einem teiltransparenten Werkstück,

Fig. 4 schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Auswirkung der linearen

Absorption auf einen quasi-nichtbeugenden Strahl, Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zur Materialbearbeitung eines Werkstücks, das aus einem teiltransparenten Material besteht,

Fig. 6A bis 6C beispielhafte Darstellungen radialer Höhenprofile eines Axicons und eines modifizierten Axicons sowie eines radialen Phasenverlaufs,

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Anpassung einer longitudinalen Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Strahls in Propagationsrichtung bei Vorliegen von linearer Absorption in einem Werkstück durch Einstellen der Phasenaufprägung,

Fig. 8 schematische Abbildungen zu einemerfindungsgemäß ausgebildeten quasi- nichtbeugenden Strahl in einem teiltransparenten Werkstück und

Fig. 9 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Ausbilden eines, insbesondere diffraktiven optischen, Strahlformungselements.

Die hierin beschriebenen Aspekte beziehen sich insbesondere auf die Anwendung von nichtbeugenden Strahlen bei der Materialbearbeitung. Nichtbeugende Strahlen (..non-chff active beams“) - alternativ auch als propagationsinvariante Strahlen “ bekannt - können durch Wellenfelder ausgebildet werden, die der Helmholtz-Gleichung genügen und eine klare Separierbarkeit in eine transversale (d.h., in x- und y-Richtung) Abhängigkeit und eine longitudinale Abhängigkeit (d.h., eine Abhängigkeit in z-Richtung/Propa- gationsrichtung) der Form aufweisen.

Hierbei ist ' der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen

Komponenten y) _ejne beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x und y abhängt. Da die z-Abhängigkeit in Gleichung 2 eine reine Phasenmodulation aufweist, ist eine Intensität einer die Gleichung 2 lösenden Funktion propagationsinvariant und wird als „nicht beugend“ bezeichnet: (Gleichung 3) Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen der Helmholtz-Gleichung in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie z.B. sogenannte Mathieu- Strahl en in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder sogenannte Bessel-Strahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.

Siehe hierzu auch J. Turunen und A. T. Friberg, “ Propagation-invariant optical fields”, in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) sowie M. Woerdemann, “ Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation ”, Springer Science & Business Media (2012).

Es lassen sich eine Vielzahl von Typen nichtbeugender Strahlen in guter Näherung realisieren. Diese realisierten nichtbeugenden Strahlen werden hierin als „quasi-nichtbeugende Strahlen“ oder „räumlich begrenzt nichtbeugende “ Strahlen oder der Einfachheit halber weiterhin auch als „nichtbeugende Strahlen“ bezeichnet. Quasi-nichtbeugende Strahlen, d.h. mit optischen Mitteln geformte/optisch implementierte nichtbeugende Laserstrahlen, führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist auch eine ihnen zugeordnete Länge L einer Propagationsinvarianz.

Fig. 1 zeigt im Vergleich mit Intensitätsdarstellungen eines konventionellen Gauß-Fokus (siehe das Propagationsverhalten eines Gauß-Fokus in Abbildung (a) der Fig. 1) das Propagationsverhalten von quasi -nichtbeugenden Strahlen anhand von Intensitätsdarstellungen in Abbildungen (b) und (c). Die Abbildungen (a), (b) und (c) zeigen jeweils einen Längsschnitt (x- z-Ebene) und einen Transversalschnitt (x-y-Ebene) durch den Fokus eines Gauß-Strahls bzw. von quasi -nichtbeugenden Strahlen, die in z-Richtung propagieren, wobei Pfeile 2 die Propagationsrichtung in z-Richtung zusätzlich verdeutlichen (so z.B. auch in den Figuren 4 und 7). Die Abbildung (b) zeigt ferner eine transversale Femfeldverteilung F des quasi -nichtbeugenden Strahls. Zur Position der Fernfeldverteilung siehe Fig. 2. Bei der Erzeugung eines quasi- nichtbeugenden Strahles mit einem Axicon wird nur einer Ortsfrequenz im Fernfeld erzeugt, die auf den (festgelegten) Konuswinkel des Axicons zurückgeht.

Die Abbildung (b) bezieht sich beispielhaft auf einen rotationssymmetrischen quasi -nichtbeugenden Strahl, hier ein Bessel-Gauß-Strahl. Die Abbildung (c) bezieht sich beispielhaft auf einen asymmetrischen quasi-nichtbeugenden Strahl. Für einen Bessel-Gauß-Strahl zeigen die Abbildungen (d) und (e) der Fig. 1 ferner Details eines zentralen Intensitätsmaximums. So zeigt Abbildung (d) der Fig. 1 einen Intensitätsverlauf in einer transversalen Schnittebene (x- y-Ebene) und einen transversalen Intensitätsverlauf in x-Richtung. Die Abbildung (e) der Fig. 1 zeigt Details des zentralen Intensitätsmaximums in einem Schnitt in Propagationsrichtung (z-Richtung).

Für den Vergleich des quasi-nichtbeugenden Strahls mit einem Gauß-Strahl wird ein Fokus- GF durchmesser ^u o des Gauß-Fokus definiert, wobei der Gauß-Fokus über die zweiten Momente festgelegt wird. Ferner wird eine zugehörige charakteristische Länge des Gauß-Strahls

, <• , T -ZR = 7i (d2 ^F ) ² /4A , ™ , uber die Rayleigh-Lange ■ ⁷ definiert, die als eine Distanz ausgehend von der

Fokusposition festgelegt wird, bei der der Strahl querschnitt um einen Faktor 2 zugenommen hat. Ferner wird für einen quasi-nichtbeugenden Strahl ein transversaler Fokusdurchmesser JND o als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums definiert, wobei der V D transversaler Fokusdurchmesser ^H durch die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima (z.B. Intensitätsabfall auf 25 %) gegeben ist. Siehe hierzu z.B. die Abbildungen (b) und (d) der Fig. 1. Die longitudinale (axiale, in Propagationsrichtung vorliegende) Ausdehnung des nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaximums kann als eine charakteristische Länge L des quasi-nichtbeugenden Strahls angesehen werden. Sie ist definiert über einen Intensitätsabfall auf 50 %, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum, jeweils in positive und negative z-Richtung, siehe Abbildungen (c) und (e) der Fig. 1.

Hierin wird von einem quasi-nichtbeugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transver- sale Dimensionen, z.B. “o ~ “o , die charakteristische Länge L des quasi-nichtbeugenden Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > 10z _R

(Quasi-) Bessel-Strahlen, auch als Bessel-ähnliche Strahlen bekannt, sind Beispiele einer Klasse von (quasi-) nichtbeugenden/propagationsinvarianten Strahlen. Bei derartigen Strahlen gehorcht die transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse in guter

Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die sogenannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Er- zeugbarkeit weit verbreitet sind. Ein Bessel-Gauß-Strahl kann z.B. durch Beleuchten eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gauß- Strahl geformt werden. Eine zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse im Bereich einer zugehörigen langgezogenen Fokuszone gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist, siehe Abbildung (d) der Fig. 1.

Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse im Bereich von auf. Die zugehörige Länge L eines quasi -nichtbeugenden Strahls kann ohne weiteres 1 mm übersteigen, siehe Abbildung (b) der Fig. 1. Ein Fokus eines Gauß- JGF JND _ o r

Strahls mit ^u o ~ ^u o E ¹¹¹ zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich einer Wellenlänge A von 1 pm aus, siehe Abbildung (a) der Fig. 1. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen gilt demnach sogar für die zugehörige Länge L . 10 R, beispielsweise das 100-fache oder mehr oder sogar das 1000-fache oder mehr der Rayleigh-Länge.

Abbildung (f) der Fig. 1 zeigt als Beispiel für einen weiteren quasi-nichtbeugenden Strahl einen inversen Bessel-Gauß-Strahl. Man erkennt, wie durch Abbildung eines virtuellen Bessel- Gauß-Strahls (siehe die eingangs genannten Veröffentlichungen) die longitudinale Intensitätsverteilung des inversen Bessel-Gauß-Strahls im Vergleich zum Bessel-Gauß-Strahl bezüglich der Propagationsrichtung invertiert ist.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass, soll ein Werkstück aus einem teiltransparenten Material mit einem quasi-nichtbeugenden Strahl bearbeitet werden, sich die lineare Absorption auf die Intensität auswirkt, die entlang des quasi-nichtbeugenden Strahls, d.h. in der langgezogenen Fokuszone, vorliegt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich der quasi -nichtbeugende Strahl beispielsweise in einer auf Interferenz-basierenden Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls ausbildet. Entsprechend ist eine Strahlformung, wie sie zur Bearbeitung von im Wesentlichen transparenten Werkstücken genutzt wird, nicht mehr zielführend, da die Bearbeitung entlang des so erzeugten quasi-nichtbeugenden Strahls mit unterschiedlichen Wechselwirkungsbedingungen (aufgrund der abnehmenden Intensität in Propagationsrichtung) vorgenommen würde oder räumlich nicht mehr im erforderlichen Umfang stattfinden würde.

Um die Ausbildung und Eigenschaften des quasi-nichtbeugenden Strahls, beispielsweise mit einem Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofil, im teiltransparenten Werkstück zu erhalten, wird hierin vorgeschlagen, den beim Durchlaufen des Werkstücks eintretenden absorbierenden Effekt durch „erhöhtes Einbringen von Intensität entlang der Fokuszone“ entgegenzuwirken. Entsprechend wird ein quasi-nichtbeugender Strahl mit einer - bei Vernachlässigung der linearen Absorption - entlang der Propagationsrichtung zunehmenden Intensitätsverteilung ausgebildet, wie sie sich beispielsweise im Fall eines Vergleichswerkstücks ohne lineare Absorption oder beispielsweise in Luft ausbilden würde. Die Zunahme der Intensitätsverteilung (ohne lineare Absorption im Werkstück) kann dann die Abnahme der Intensität aufgrund der linearen Absorption zumindest abschnittsweise kompensieren.

Eine (ohne lineare Absorption im Werkstück) zunehmende Intensitätsverteilung kann zum einen durch eine spezielle Anpassung der Phasenaufprägung (bewirkt beispielsweise durch eine spezielle Formgebung der Geometrie des Axicons oder eine speziell entworfene Phasenverteilung eines diffraktiven optischen Elements) vorgenommen werden.

Zum anderen können bekannte Phasenaufprägungen mit modifizierten Strahlparametern eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Phasenaufprägung/Strahlformungsoptik derart ausgelegt werden, dass sie ohne lineare Absorption im Werkstück für einen vorgegebenen Strahldurchmesser eine in Propagationsrichtung homogenisierte Intensitätsverteilung bewirkt, indem sie Laserleistung gleichmäßig entlang der Fokuszone verteilt, insbesondere indem sie Intensität in strahlabwärts liegende Abschnitte des quasi-nichtbeugenden Strahls umverteilt. Ein Beispiel ist ein homogenisierter Bessel-Gauß-Strahl. In einer Ausführungsform der Erfindung kann nun eine derartige Phasenaufprägung/Strahlformungsoptik mit einem variierten, zum Beispiel vergrößerten, Strahldurchmesser verwendet werden, wobei der Strahldurchmesser derart gewählt wird, dass mehr Intensität in strahlabwärts liegende Abschnitte des quasi-nichtbeugenden Strahls umverteilt wird, um so der linearen Absorption entgegenzuwirken.

Es wurde somit erkannt, dass einer Beeinflussung der Intensitätsverteilung entlang der Propagationsrichtung eines quasi-nichtbeugenden Strahls durch lineare Absorption bei der Ausbreitung im Werkstück zumindest abschnittsweise entgegengewirkt werden kann. Überdies wurde erkannt, dass bei entsprechenden Maßnahmen Strahlformungskonzepte und Strahlformungskomponenten, die für im Wesentlichen transparente Werkstücke entwickelt wurden, zur Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Strahls in einem absorbierenden Material genutzt werden können. So wurde erkannt, dass trotz einer linearen Absorption bei der Ausbreitung von Laserstrahlung in einem teiltransparenten Werkstück ein quasi -nichtbeugender Strahl mit einer in Propagationsrichtung im Wesentlichen gleichbleibenden Intensitätsverteilung im Material des Werkstücks erzeugt werden kann. Entsprechend können langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer Teiltransparenz eingeschrieben werden. Derartig erzeugte strukturelle Modifikationen können wie bei im Wesentlichen transparenten Werkstücken zum Beispiel einen Trennvorgang ermöglichen oder für einen Materi al ab trag genutzt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 für die Bearbeitung eines Werkstücks 3 mit einem quasi -nichtbeugenden (Laser-)Strahl 5. Die hierin offenbarten Konzepte richten sich spezifisch auf die Bearbeitung von Werkstücken aus einem Material, das bezüglich des Laserstrahls 5 teiltransparent ist und entsprechend eine lineare Absorption des Laserstrahls 5 bewirkt. Das Werkstück 3 kann beispielsweise ein teiltransparentes (z.B. gefärbtes) Glas, wie eine Glasscheibe, oder ein für die eingesetzte Laserwellenlänge teiltransparentes Objekt, wie eine Scheibe, in keramischer oder kristalliner Ausführung (beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid wie Saphir, z.B. natürlicher oder künstlich nachgefärbter Saphir) sein. Beispielsweise absorbiert das Material im Spektralbereich des Laserstrahls 5 über eine Länge von 1 mm 50 % der Intensität einer durchtretenden Laserstrahlung. Allgemein kann das Material des Werkstücks Absorptionskoeffizienten im Bereich von ca. 0,1/mm bis ca. 2,5/mm aufweisen, mit entsprechenden Transmissionen im Bereich von 90 % bis 10 % pro Millimeter Materi al dicke, beispielsweise eben 50 % pro 1 mm Glasdicke.

Die Bearbeitung mit dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl bewirkt ein Modifizieren des Materials des Werkstücks 3 in einer Fokuszone 7 die vom quasi -nichtbeugenden Laserstrahl 5 ausgebildet wird. Wie in Fig. 2 angedeutet ist die Fokuszone 7 allgemein in einer Ausbreitungsrichtung (Propagationsrichtung; hier die z-Richtung) des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls 5 langgezogen ausgebildet. Beispielsweise kann die Fokuszone 7 als Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls oder eines inversen Bessel-Gauß-Strahls gebildet werden.

Die Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 11 (beispielsweise ein Ultrakurzpuls-Hochleistungslasersystem), die einen Laserstrahl 5“ erzeugt und ausgibt. Der Laserstrahl 5“ ist beispielsweise gepulste Laserstrahlung. Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung weisen für eine Materialbearbeitung z.B. Pulsenergien auf, die im quasi -nichtbeugenden Strahl zu Pulsspitzenintensitäten führen, die eine nichtlineare Absorption im Material des Werkstücks 3 und damit eine Ausbildung einer Modifikation in einer durch den Intensitätsverlauf des quasi -nichtbeugenden Strahls vorgegebenen Geometrie bewirken.

Zur Führung und Strahlformung umfasst die Laserbearbeitungsanlage 1 ferner ein optisches Strahlformungssystem 13. Das optische Strahlformungssystem 13 kann zumindest teilweise in einem Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsanlage 1 vorgesehen werden, der räumlich relativ zum Werkstück 3 ausgerichtet werden kann.

Das optische Strahlformungssystem 13 umfasst eine Strahlformungsoptik 15 zur Phasenaufprägung auf einen Rohlaserstrahl 5‘. In Fig. 2 stellt die aus der Strahlformungsoptik 15 austretende Laserstrahlung phasenaufgeprägter Laserstrahlung 5 PH dar, die zur Formung des quasi -nichtbeugenden Strahls 5 genutzt wird. Beispielhaft sind Strahlanteile 5A, 5B und 5C der phasenaufgeprägter Laserstrahlung 5 PH angedeutet. Als Strahlformungsoptik können diffraktive optische Strahlformungselemente und refraktive oder reflektive Optikimplementierungen eingesetzt werden, wobei diese hierin als hinsichtlich einer vorzunehmenden transversalen Phasenaufprägung im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel ausgeführt werden können.

Die Strahlformungsoptik 15 ist z.B. ein Axicon, ein Hohlkegel-Axicon, ein (Hohlkegel-) Axi- con-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System, wobei diese Komponenten in ihrer phasenaufprägenden Eigenschaft bzgl. einer vorliegenden linearen Absorption in einem Werkstück modifiziert wurden, um eine Ausbildung von ansteigenden Intensitätsverteilungen in Vergleichsmaterialien ohne lineare Absorption zu erzeugen (siehe Fig. 6B). Modifizierte Geometrien eines Axicons oder inversen Axicons weichen von der linearen Abhängigkeit der Dicke des konventionellen konusförmigen Axicons von einem radialen Abstand von der Strahlachse ab.

Die Strahlformungsoptik 15 kann ferner ein programmierbares oder fest-eingeschriebenes dif- fraktives optisches Strahlformungselement, insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator) sein. Beispielsweise weist ein diffraktives optisches Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (siehe auch Fig. 8, Abbildungen (dl) und (d2)) auf, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist. Mithilfe von speziell gewählten Phasenschiebungswerten kann z.B. eine Geometrie eines (Hohlkegel-) Axicons nachgebildet werden, wobei die Phasenaufprägung ebenfalls hinsichtlich der Implementierung eines konventionellen Axicons modifiziert werden kann. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Strahlformungssystems 13 und insbesondere der Strahlformungsoptik 15 wird auf die eingangs genannten Veröffentlichungen verwiesen. Diese offenbaren ferner, dass in axialer Richtung quasi-homogeni- sierte Intensitätsverteilungen in langgezogenen Fokuszonen von Bessel-Gauß-Strahlen als Beispiel für einen quasi -nichtbeugenden Strahl in einem transparenten Material erzeugt werden können. Dabei kann die Homogenität in der Intensität kontinuierlich entlang der langgezogenen Fokuszone vorliegen oder es kann eine Sequenz von Intensitätsmaxima mit z.B. vergleichbaren Intensitätswerten entlang der Fokuszone vorliegen.

Die Strahlformungsoptik 15 kann dazu eingerichtet sein, ein Einlaufen von Strahlanteilen eines auf den Laserstrahl 5“ zurückgehenden Rohlaserstrahls 5‘ unter einem Einlaufwinkel 6‘ auf eine Strahlachse 9 für eine Ausbildung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls 5 entlang der Strahlachse 9 im Werkstück 3 durch Interferenz der Strahlanteile zu bewirken. Der Einlaufwinkel 6‘ liegt für Werkstücke aus einem teiltransparenten Material in einem Einlaufwinkelbereich von beispielsweise ca. 5° bis ca. 25° bezüglich der Strahlachse 9 im teiltransparenten Material (entsprechend bis ca. 40° in Luft). Für eine langgezogene Materialbearbeitung liegen bevorzugt vergleichbare, im teiltransparenten Material eine nichtlineare Absorption hervorrufende Intensitäten in zumindest mehreren Abschnitten des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls 5 vor. Dazu können z.B. speziell angepasste Einlaufwinkel 6‘ vorgesehen werden (siehe auch Fig. 6B), die ein Umordnen von Intensitätsanteilen in Propagationsrichtung zur Anpassung der Intensität entlang der Fokuszone/des quasi-nichtbeugenden Strahls bewirken.

Optional umfasst das optische Strahlformungssystem 13 eine Strahlanpassungsoptik 17A, beispielsweise in Form eines ersten Teleskops (in Fig. 2 schematisch anhand von Linsen LI A und L2_A dargestellt). Die Strahlanpassungsoptik 17A ist dazu eingerichtet, einen Strahldurchmesser des Laserstrahl 5“ anzupassen und den Laserstrahl 5“ als Rohlaserstrahl 5‘ mit einem Rohlaserstrahldurchmesser D der Strahlformungsoptik 15 zuzuführen.

In Fig. 2 ist in einem Intensitätsdiagramm I(y) für den Rohlaserstrahl 5‘ schematisch eine gaußförmige Intensitätsverteilung G mit Strahldurchmesser D angedeutet. Durch Variieren des Abstands der Linsen LI A und L2_A kann die Strahlanpassungsoptik 17A zur Anpassung der Strahlgröße an der Strahlformungsoptik 15 eingesetzt werden. In Fig. 2 wird eine Strahlformung mit einer Axicon-ähnlichen Phasenaufprägung beispielhaft mit Strahlengängen für verschiedene Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls 5‘ (z.B. entsprechend Intensitätsringen im Intensitätsdiagramm I(y)) dargestellt. Schematisch ist in Fig. 2 beispielhaft ein Axicon-Querschnitt 15A angedeutet. Bei einer Axicon-ähnlichen Phasenaufprägung wird die Laserstrahlung rotationssymmetrisch an Positionen entlang der optischen Achse 9 geführt, wobei jeder der Einlaufwinkel einen lokalen Konuswinkel darstellt, der auf einen Intensitätsring im Intensitätsdiagramm I(y) wirkt.

Die Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Strahls 5 ist in Fig. 3 A (für einen festen Einlaufwinkel) und in Fig. 3B (für in einem Einlaufwinkelbereich variabel eigestellte Einlaufwinkel) vergrößert dargestellt.

In einer in Fig. 3 A dargestellten z-y-Schnittebene entlang der Strahlachse 9 wird ein beispielhafter Strahlengang für einen Bessel-Gauß-Strahl - wie er z.B. bei fehlender linearer Absorption, d.h., zur Bearbeitung eines transparenten Werkstücks 3_o, eingesetzt werden kann - anhand von schematisierten Strahlanteilen für die Ausbildung eines quasi-nichtbeugenden Strahls in verdeutlicht. Angedeutet sind wieder (radialen) Strahlanteile 5A, 5B, 5C, die unter einem (durch den Konuswinkel des Axicons vorgegeben) Einlaufwinkel 6 in Luft bzw. 6‘ im Material auf die Strahlachse 9 des Laserstrahls 5 einlaufen.

Dabei bildet Laserstrahlung des Strahlanteils 5A, die einem (radial innen liegenden) Strahlquerschnittsbereich R A des Rohlaserstrahls 5‘ um die Strahlmitte zugeordnet ist, einen Anfangsabschnitt 6A des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls. Laserstrahlung des Strahlanteils 5B, die einem mittleren ringförmigen Strahlquerschnittsbereich R_B des Rohlaserstrahls 5‘ zugeordnet ist, bildet einen mittleren Abschnitt 6B des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls. Laserstrahlung des Strahlanteils 5C, die einem äußeren ringförmigen Strahlquerschnittsbereich R_C des Rohlaserstrahls 5‘ zugeordnet ist, bildet einen Endabschnitt 6C des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls.

Der quasi -nichtbeugende Strahl bildet sich entlang der Strahlachse 9 im transparenten Werkstück 3_o durch Interferenz der Strahlanteile 5A, 5B, 5C (über eine Länge /., siehe auch Fig. 1) aus. Man erkennt, dass die weiter außen liegenden Strahlanteile 5B, 5C einen längeren Weg im Material zurücklegen und somit - im Falle eines teiltransparenten Materials - einer stärkeren linearen Absorption ausgesetzt wären als der weiter innen liegende Strahlanteil 5 A. Entsprechend sind bei Verwendung eines konventionellen Axicons (mit fest eingestellten Ko- nuswinkel) zur Strahlformung die in der Fokuszone vorliegenden Intensitäten an den Abschnitten 6A ,6B, 6C des quasi-nichtbeugenden Strahls unterschiedlich stark von einer linearen Absorption betroffen.

Zurückkehrend zu Fig. 2 sind optische Wege der Laserstrahlung der Strahlanteile 5A, 5B, 5C schematisch ausgehend vom Strahlformungselement 15 bis zur Fokuszone 7 angedeutet. Wesentlich für die lineare Absorption ist der Anteil der optischen Wege im teiltransparenten Material des Werkstücks 3. Diese Anteile der optischen Wege sind für die Laserstrahlung der Strahlanteile 5A, 5B, 5C in Fig. 3A mit den Bezugszeichen 5A‘, 5B‘ und 5C‘ versehen.

Wie man in Fig. 2 ferner erkennen kann, ist jedem der Strahlquerschnittsbereiche R A, R_B, R_C ein Intensitätsanteil I_A, I_B, I C der Intensität des Rohlaserstrahls 5‘ zugeordnet. Wie der Fachmann anerkennen wird, sind in Fig. 2 und in Fig. 3 A die Zuordnung von Strahlquerschnittsbereich, Intensitätsanteil, Abschnitt des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls vereinfacht dargestellt.

Variationen im Einlaufwinkel 6‘ können nun durch Einstellen der Phasenaufprägung für die Materialbearbeitung eines Werkstücks aus einem teiltransparenten Material eingestellt werden. Dies wird in Fig. 3B schematisch für das teiltransparente Werkstück 3 dargestellt.

Beispielsweise ist die Phasenaufprägung derart eingestellt, dass Laserstrahlung in ihrem Einlaufwinkel auf die Strahlachse 9 entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls variiert bzw. an einer Position/an einem Abschnitt der quasi -nichtbeugende Laserstrahl durch Laserstrahlung aus mehreren Einlaufwinkeln gebildet wird. Beispielsweise fällt in Fig. 3B Laserstrahlung 5B_T flacher ein als Laserstrahlung 5A_T; Laserstrahlung 5C_T fällt steiler ein als die Laserstrahlung 5B_T; Laserstrahlung 5D_T fällt noch steiler ein als die Laserstrahlung 5C_T. Bei entsprechender Wahl der Einlaufwinkel für die verschiedenen Strahlanteile kann die Intensität der Laserstrahlung, die an die verschiedenen Abschnitte 6A_T, 6B_T, 6C_T entlang der optischen Achse 9 geführt wird, um dort konstruktiv zu interferieren und den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl auszubilden, an die verschieden starken Einflüsse der linearen Absorption angepasst werden. Betrachtet man die Figuren 3 A und 3B als strahlenoptischen Vergleich, wird in Fig. 3 A die Erzeugung eines (quasi-) nichtbeugenden Laserstrahls durch Zuführung der Strahlungsanteile (Feldkomponenten) mit einem globalen (global nicht variierenden) Konuswinkel mit resultierendem festen Einlaufwinkel 6‘ (üblicherweise im transparenten Material) bewirkt. In Fig. 3B wird die Erzeugung eines (quasi-) nichtbeugenden Laserstrahls mit einer Mehrzahl von spezifisch eingestellten lokalen Konuswinkeln mit resultierenden variierenden Einlaufwinkel 5‘_1, 6‘_2 bewirkt. Es wird angemerkt, dass in Fig. 3B zur Deutlichkeit beispielsweise Laserstrahlung 5C_T und Laserstrahlung 5D_T nebeneinander auf die optische Achse 9 treffen. Abhängig von der Lage der beitragenden Strahlquerschnittsbereiche und der zugeordneten Phasenanstiege (Einlaufwinkel) wird Laserstrahlung unter mehreren Winkeln (aus einem dem Strahlformungselement 15 zugeordneten Einlaufwinkelbereich) an eine Position auf der optischen Achse 9 geführt werden. In eine (konstruktive/destruktive) Überlagerung der Laserstrahlung unter mehreren Winkeln geht der jeweilige Phasenunterschied ein, der aufgrund der unterschiedlichen entlang der verschiedenen optischen Wege akkumulierten Phasen in der Fokuszone 7 vorliegt.

Fig. 3C zeigt ferner eine transversale Fernfeldverteilung F T, wie sie bei der Erzeugung eines in einem teiltransparenten Material homogenisierten quasi-nichtbeugenden Laserstrahls vorliegen kann. Zur Position der Femfeldverteilung F T siehe Fig. 2. Die Fernfeldverteilung F T zeigt ein Ortsfrequenzspektrum, das mehrere (den Winkel ö‘_l, 6‘_2 entsprechende) Frequenzen aufweist, anhand der räumlichen Interferenzen. Im Vergleich zur Erzeugung eines in einem transparenten Material homogenisierten quasi-nichtbeugenden Laserstrahls ist die Wichtung von Intensitäten der Ortsfrequenzen für die Erzeugung des im teiltransparenten Material homogenisierten quasi-nichtbeugenden Laserstrahls an das lineare Absorptionsverhalten angepasst.

Bezugnehmend auf Fig. 2 umfasst das optische Strahlformungssystem 13 ferner ein Abbildungssystem 17B, das beispielsweise in Form eines zweiten Teleskops (in Fig. 2 schematisch anhand von Linsen LI B, L2_B dargestellt) zum Abbilden eines realen oder virtuellen Strahlverlaufs in das teiltransparente Werkstück 3 ausgebildet ist. Das Abbildungssystem 17B kann ferner zur Einstellung der Länge des quasi-nichtbeugenden Strahls im Werkstück 3 beispielsweise durch Änderung der Brennweite des Abbildungssystems 17B genutzt werden. Der Fachmann wird anerkennen, dass wie in den eingangs genannten Veröffentlichungen die Linse L1_B auch mit dem Strahlformungselement 15 kombiniert werden kann. Im Abbildungssystem 17B bildet sich ferner eine Femfeldverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls aus (beispielsweise die Fernfeldverteilung F der Fig. 1 Abbildung (b) bzw. die Femfeldverteilung F T der Fig. 3C). Die Position P F des Femfelds ist schematisch in Fig. 2 durch einen Zwischenfokus zwischen den Linsen LI B, L2_B angedeutet.

Das optische Strahlformungssystem 13 kann weitere strahlführende Komponenten wie zum Beispiel Umlenkspiegel, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung und Einstellung der verschiedenen Komponenten aufweisen.

Die Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst ferner eine in Fig. 2 schematisch angedeutete Werkstückhai terung 19 zum Lagern und optional zum Bewegen des Werkstücks 3.

Für die Bearbeitung des Werkstücks 3 erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem optischen Strahlformungssystem 13 (dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl) und dem Werkstück 3, sodass der quasi-nichtbeugende Strahl 5/die Fokuszone 7 an verschiedenen Positionen entlang einer vorbestimmten (Bearbeitungs-) Trajektorie T im Werkstück 3 ausgebildet werden kann. Bevorzugt kann der quasi-nichtbeugende Laserstrahl 5 entlang der Abtasttrajektorie bewegt werden, sodass eine Aufreihung von Modifikationen in das Werkstück entlang der Abtasttrajektorie T eingeschrieben wird. Für z.B. ein Trennen des Werkstücks 3 in zwei Teile bestimmt die Trajektorie T dann den Verlauf einer späteren Trennlinie.

Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ferner eine Steuerung 21 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametem durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerung 21 elektronische Steuerungsbauteile wie einen Prozessor zum Ansteuern von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1. Beispielsweise können Betriebsparameter der Laserstrahlquelle 11 wie z.B. Pumplaserleistung, Pulsdauer, Pulsenergie, Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Elements des optischen Strahlformungssystems 13 und/oder Parameter der Werkstückhalterung 19 (zum Abfahren der Abtasttrajektorie T) eingestellt werden. In Fig. 2 wird die funktionelle Verbindung der Steuerung 21 mit den verschiedenen ansteuerbaren Komponenten durch gestrichelte Verbindungen 21 A angezeigt. Allgemein kann die Steuerung 21 dazu eingerichtet sein, die Phasenaufprägung derart einzustellen, dass beim Einstrahlen in das teiltransparente Material des Werkstücks, d.h., beim Fokussieren der phasenaufgeprägten Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks, eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls 5 in der Fokuszone in der Längsrichtung z zumindest näherungsweise konstant ist. So kann die Steuerung 21 zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die Phasenverteilung eines einstellbaren diffrakti- ven optischen Elements (SLM) einzustellen.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 21 zum Beispiel dazu eingerichtet sein, eine Größe mindestens eines der Strahlquerschnittsbereiche R A, R_B, R_C und/oder mindestens einen der Intensitätsanteile I_A, I_B, I C einzustellen. Die Einstellung kann insbesondere derart erfolgen, dass mehrere der Intensitätsanteile der Strahlung einen Intensitätsverlust, der aufgrund der linearen Absorption entlang eines optischen Weges vom jeweiligen Strahl quer- schnittsbereich zu dem zugehörigen Abschnitt 6A_T, 6B_T, 6C_T des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls eintritt, berücksichtigen. Mit derart eingestellten Strahlparametem kann das Material in den zugehörigen Abschnitten 6A_T, 6B_T, 6C_T des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls basierend auf einer nichtlinearen Absorption, die von der Intensität des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls im jeweiligen Abschnitt abhängt, modifiziert werden. Beispielsweise kann die Steuerung 21 für die Einstellung der Größen der Intensitätsanteile I_A, I_B, I C (und/oder der Strahlquerschnittsbereiche R A, R_B, R_C) die Teleskopanordnung 13 A zum Vergrößern oder Verkleinern des Strahl durchmessers D des Rohlaserstrahls 5‘ an der Strahlformungsoptik 15 ansteuern.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 21 zum Beispiel dazu eingerichtet sein, dass für ein Material mit einer linearen Absorption, die von einer linearen Absorption des teiltransparenten Materials abweicht, für das eine Phasenaufprägung ausgelegt wurde, eine Anpassung der transversalen Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls bei unveränderter Phasenaufprä- gung vorgenommen wird, um einen Intensitätsanteil einer Rohlaserstrahlintensität, der einer Position der Mehrzahl von Positionen zugeführt wird, zu erhöhen oder zu verkleinern und dadurch die Abweichung in der linearen Absorption auszugleichen.

Allgemein wird die für die Materialbearbeitung verwendete Laserstrahlung, d. h. der Laserstrahl 5“, der Rohlaserstrahl 5‘ und der Laserstrahl 5, durch Strahlparameter wie Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Ausbildung von Pulsgruppen, Strahldurchmesser, transversales Intensitätsprofil, transversales Eingangsphasenprofil, Eingangsdivergenz und/oder Polarisation bestimmt.

Beispielhafte Parameter der Laserstrahlung, die im Rahmen dieser Offenbarung eingesetzt werden können, sind:

Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 20 pj und 5 mJ (z.B. 1200 pj), typischerweise zwischen 100 pj und 1 mJ

Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 pm > k > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)

Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise einige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden

Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden

Anzahl der Laserpulse pro Modifikation: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifikation Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 10 kHz

Länge der Fokuszone im Material: größer 20 pm, bis zu einigen Millimetern Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 pm, bis zu 20 pm und mehr (sich ergebende laterale Ausdehnung der Modifikation im Material: größer 100 nm, z.B. 300 nm oder 1 pm, bis zu 20 pm und mehr)

Vorschub d zwischen zwei benachbarten Modifikationen: mindestens die laterale Ausdehnung der Modifikation in Vorschubrichtung (üblicherweise mindestens das Doppelte der Ausdehnung, beispielsweise das Vierfache der Ausdehnung)

Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe/Burst von Laserpulsen, die zur Bildung einer einzigen Modifikation an einem Ort im Material des Werkstücks führen. Ist die Einwirkdauer wie die Pulsdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, trägt ein Laserpuls und tragen alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zu einer einzigen Modifikation an einem Ort bei. Bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeit können auch durchgehende Modifikationszonen, die aneinander angrenzende und ineinander übergehende Modifikationen umfassen, entstehen. Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Materialbearbeitung mit quasi -nichtbeugenden Strahlen erlauben, die bis zu beispielsweise 20 mm und mehr (typisch 100 pm bis 10 mm) in ein teiltransparentes Werkstück hineinragen.

Gemäß Fig. 2 wird der Laserstrahl 5“ dem optischen Strahlformungssystem 13 zur Strahlformung, d.h. zum Umwandeln eines oder mehrerer der Strahlparameter, zugeführt. Üblicherweise wird der Laserstrahl 5“ und entsprechend der Rohlaserstrahl 5‘ angenähert ein kolli- mierter Gauß-Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil sein.

Der Ausbreitung der Laserstrahlung und insbesondere dem optischen Strahlformungssystem 13 kann eine optische Achse 9 zugeordnet werden, die bevorzugt durch einen Symmetriepunkt der Strahlformungsoptik 15 (z.B. durch eine Strahlmittenposition eines Axicons (Axicon- spitze) oder eines diffraktiven optischen Strahlformungselements) verläuft. Die Propagation der Laserstrahlung erfolgt entlang der optischen Achse 9. Bei einem rotationssymmetrischen Laserstrahl 5“ kann ein Intensitätsmaximum eines transversalen Strahlprofils des Laserstrahls 5“ (gaußförmige Intensitätsverteilung G in Fig. 2) entlang der optischen Achse 9 des optischen Strahlformungssystems 13 einfallen. Abhängig vom Durchmesser D der Intensitätsverteilung G wird ein entsprechend großer Bereich der Strahlformungsoptik 15 ausgeleuchtet.

Das optische Strahlformungssystem 13 formt aus dem Rohlaserstrahl 5' den quasi -nichtbeugenden Laserstrahl 5, der die Fokuszone 7 bildet. Z.B. kann ein Bessel-Gauß-Strahl mit einem gewöhnlichen oder inversen Bessel-Strahl-artigen Strahlprofil mit Hilfe der Strahlformungsoptik 15 erzeugt werden.

Allgemein gilt für die Bearbeitung teiltransparenter Werkstoffe mittels nichtlinearer Absorption, dass, sobald eine nichtlineare Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die resultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflussen kann. Bei quasi -nichtbeugenden Strahlen können die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem angepassten Einlaufwinkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zugeführt werden, sodass strahl aufwärts liegende Bereiche des quasi -nichtbeugenden Strahls nicht durchstrahlt werden. Ein Beispiel für eine derartige Energiezufuhr ist der Bessel-Gauß-Strahl, bei dem eine ringförmige Fernfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist (siehe Abbildung (b) der Fig. 1). Bei einem rotationssymmetrischen Bessel-Gauß-Strahl werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse radiale Strahlanteile im Wesentlichen mit diesem vorbestimmten Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Ähnliches gilt für den inversen Bessel -Gauß- Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte, asymmetrische oder modulierte (inverse) Bessel-Strahlen.

Auch wenn Bereiche nichtlinearer Absorption bei der Zufuhr von Laserstrahlung zu strahlabwärts liegenden Abschnitten vermieden werden können, wirkt sich die lineare Absorption des teiltransparenten Werkstücks auf die Laserstrahlung aus, die strahlabwärts liegende Abschnitte des quasi-nichtbeugenden Strahls ausbildet.

Mit Bezug auf die Figuren 3D bis 3F wird eine Betrachtung der Auswirkung der absorbierenden Materialeigenschaft eines teiltransparenten Werkstücks 3 zusammengefasst. Man erkennt ein Einlaufen der (radialen) Strahlanteile unter einem Einlaufwinkel ß in Luft bzw. einem Einlaufwinkel (Konuswinkel) ß' im Material auf die optische Achse 9 des Laserstrahls. Der Einlaufwinkel ß' ist bei einem Brechungsindex n des Werkstücks gegeben durch . Der quasi-nichtlineare Strahl kann sich entlang der Strahlachse 9 im Werkstück 3 durch Interferenz der einlaufenden Strahlanteile über eine gesamte Dicke d des teiltransparenten Werkstücks 3 ausbilden.

Die lineare Absorption kann durch die „optical depth“ beschrieben werden gemäß . Aus ihr ergibt sich der Absorptionskoeffizient a zu: ^!

Die lineare Absorption findet entlang der optischen Wege bis zu Positionen x (in Zusammenhang mit den Figuren 3D bis 3F erfolgt die Propagation der Laserstrahlung in x-Richtung) auf der optischen Achse 9 statt. Die zugehörigen Weglängen sind gegeben durch .

Mit einem modifizierten Absorptionskoeffizienten ergibt sich die Leistungsabnahme entlang den optischen Wegen zu . Die Leistungsabnahme

(Dämpfungsverhalten im Material) entlang der optischen Achse ergibt sich zu

Beispielsweise zeigt Fig. 3E das Dämpfungsverhalten für ein teiltransparentes Material der Dicke d = 1 mm und einem Brechungsindex von n = 1,45 bei einem Konuswinkel der phasenaufgeprägten Strahlung von ß = 20°. Angenommen 50 % der Leistung werden im Material linear absorbiert (PO = 1 auf der Eintrittsseite, Pd = 0,5 auf der Austrittsseite), so ergibt sich ein modifizierten Absorptionskoeffizient a‘ von 0,71.

Fig. 3E zeigt den exponentiellen Leistungsabfall P(x). Zur Kompensation des Dämpfungsverhaltens im Material ergibt die Invertierung von P(x) die benötigte Kompensation Fig. 3F zeigt die Kompensationsfunktion Pk(x) für die obigen beispielhaft diskutierten Werte. Der Verlauf der Kompensationsfunktion im teiltransparenten Material entspricht dem benötigten Intensitätsverlauf auf der optischen Achse 9 des nichtbeugenden Strahls für den Fall, dass keine lineare Absorption vorliegt.

Mit anderen Worten setzt die Ausbildung einer vergleichbaren Intensität in den Abschnitten 6A_T, 6B_T, 6C_T der Fig. 3B voraus, dass die beitragenden Anteile der Laserstrahlung 5A_T, 5B_T, 5C_T, 5D_T einen vergleichbaren Intensitätseintrag in die entsprechenden Abschnitte des quasi -nichtbeugenden Strahls einführen. D.h., die Intensitätsanteil I_A, I_B, I C der Intensität des Rohlaserstrahls 5‘ für die verschiedenen Abschnitte 6A_T, 6B_T, 6C_T sollten vergleichbar sein, wenn in jedem der Abschnitte eine vergleichbare nichtlineare Absorption (für eine vergleichbare Wechselwirkung mit dem Material) stattfinden soll.

Fig. 4 verdeutlicht die Auswirkung der linearen Absorption, wenn für die Bearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks ein homogenisierter Bessel-Strahl verwendet wird, der mit einer, für ein transparentes Werkstück entworfenen, Strahlformungsoptik erzeugt wird.

Man erkennt einen Intensitätslängsschnitt 31 A durch eine Fokuszone sowie einen zugehörigen Intensitätsverlauf 31B entlang der Strahlachse 9 des homogenisierten Bessel-Strahls, wie er im transparenten Werkstück vorliegen würde. Die Maximalintensität entlang der Strahlachse 9 ist - gemäß dem Einsatz mit einem transparenten Werkstück - über eine signifikante Länge (angedeutet durch Linien 32A, 32B in Fig. 4) des quasi-nichtbeugenden Strahls im Wesentlichen konstant.

Wird nun ein derartig homogenisierter Bessel-Strahl in ein teiltransparentes Material eingestrahlt, ergibt sich ein gestrichelter Intensitätsverlauf 3 IC, bei dem aufgrund der linearen Absorption die Intensität entlang der Strahlachse 9 kontinuierlich mit der Eindringtiefe in das Material abnimmt. Ein gestrichelte Intensitätsverlauf 3 ID zeigt eine entsprechende Reduzierung der Intensität für einen modulierten quasi-nichtbeugenden Strahl, der anstelle eines homogenen Intensitätsverlaufs im transparenten Material mehrere vergleichbare Intensi- tätsmaxima in Propagationsrichtung ausbildet.

Fig. 5 verdeutlicht in einem Flussdiagramm das hierin vorgeschlagene Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl, wobei das Werkstück ein für den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl teiltransparentes Material aufweist. Teiltransparenz bedeutet, dass das Material für Laserstrahlung im Frequenzbereich des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls eine lineare Absorption aufweist, die von einer Intensität der Laserstrahlung unabhängig ist.

Das Verfahren umfasst den Schritt 101, bei dem ein Rohlaserstrahl für die Strahlformung erzeugt wird. Die Erzeugung des Rohlaserstrahls kann in einem Schritt 101 A einen Laserstrahl mit einem Lasersystem (in Fig. 2: Laserquelle 11) mit Strahlparametern erzeugen, die auf die durchzuführende Materialbearbeitung ausgelegt sind (ausreichende Leistung, gewünschte Pulsdauer etc.). Ferner kann in einem Schritt 101B ein geometrischer Strahlparameter wie ein Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls auf ein für die Phasenaufprägung vorgesehenes Strahlformungselement, insbesondere die implementierte zweidimensionale Phasenverteilung, angepasst werden (beispielsweise in Fig. 2 mit der Strahlanpassungsoptik 17A).

Das Verfahren umfasst ferner den Schritt 103, in dem der Rohlaserstrahl (in Figur 2: Rohlaserstrahl 5‘) mit einer Rohlaserstrahlintensität (hier die Intensität des gesamten Rohlaserstrahls 5‘) in ein optisches Strahlformungssystem zur Strahlformung (in Figur 2: das optische Strahlformungssystem 13, das optional die Strahlanpassungsoptik umfasst) eingestrahlt wird. Dabei ist das optische System derart eingerichtet, dass der Rohlaserstrahl (nach erfolgter Strahlformung) den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl mit einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Fokuszone für die Materialbearbeitung des Werkstücks im Werkstück ausbilden kann. Mittels des optischen Strahlformungssystems erfolgt eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Rohlaserstrahls derart, dass der quasi-nichtbeugende Laserstrahl an der Fokuszone eine in der Längsrichtung variable Intensitätsverteilung aufweist. Aufgrund der Strahlformung werden in Propagationsrichtung angeordnete Abschnitte (in Fig. 3: Abschnitte 6A, 6B, 6C) des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls von Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls (in Fig. 2: beispielhaft die den Strahlanteilen 5A, 5B, 5C zugeordneten ringförmigen Querschnittsflächen R A, R_B, R_C) geformt. Dabei ist die Darstellung in Fig. 2 dahingehend vereinfacht, dass die Phasenaufprägung allgemein derart frei/flexibel vorgenommen werden kann, dass von verschiedenen Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls Laserstrahlung an eine Position der Fokuszone (in Längsrichtung) geführt werden kann. Dabei sind den Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls Intensitätsanteile (in Fig. 2: Intensitätsanteile I_A, I_B, I C) der Rohlaserstrahlintensität zugeordnet.

Durch das Einstrahlen (Schritt 103) des Rohlaserstrahls in das optische Strahlformungssystem wird ein Strahlformen des Rohlaserstrahls (Schritt 101A) vorgenommen. So erfolgt ein Aufprägen (Schritt 103A) einer zweidimensionalen Phasenverteilung (insbesondere mit einem dif- fraktiven optischen Strahlformungselement oder mit einer z.B. (im Konuswinkel) modifizierten Axicon-Optik) auf den Strahl quer schnitt des Rohlaserstrahls 5 ‘(Ausbildung von phasenaufgeprägter Laserstrahlung). Die aufgeprägte zweidimensionale Phasenverteilung bewirkt, dass die phasenaufgeprägte Laserstrahlung aus den Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls den in Propagationsrichtung angeordneten Abschnitten des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls zugeführt wird.

Ziel der Phasenaufprägung ist es nun, einen zumindest näherungsweise konstanten Intensitätsverlauf über eine signifikante Länge der Fokuszone im Werkstück zu erreichen und zwar trotz der Teiltransparenz des Werkstücks.

Dies wird im Schritt 103 durch ein Einstellen der Phasenaufprägung anhand mindestens eines der Intensitätsanteile und/oder einer Größe mindestens eines der Strahlquerschnittsbereiche umgesetzt. Die Einstellung der Phasenaufprägung erfolgt dabei derart, dass eine resultierende Intensitätsverteilung des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls beim Einstrahlen in das teiltransparente Material des Werkstücks an der Fokuszone in der Längsrichtung eben zumindest näherungsweise konstant ist. Mit anderen Worten erfolgt die Einstellung derart, dass bei der Zuordnung der Intensitätsanteile für die verschiedenen Position der Fokuszone (in Längsrichtung) jeweils ein Intensitätsverlust berücksichtigt wird, der aufgrund der linearen Absorption entlang eines optischen Weges vom jeweiligen Strahlquerschnittsbereich zu dem zugehörigen Abschnitt des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls eintritt. Die Berücksichtigung wird mit Blick auf die Materialbearbeitung derart umgesetzt, dass das Material in den Abschnitten des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls basierend auf einer nichtlinearen Absorption, die von der Intensität des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im jeweiligen Abschnitt abhängt, modifiziert wird. Im Schritt 103 kann beispielsweise für die Erzeugung eines quasi -nichtbeugenden Laserstrahls mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1 : 10, insbesondere von mindestens 1 : 100, eine Abnahme einer Intensität entlang dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl aufgrund der linearen Absorption zumindest abschnittsweise kompensiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann Schritt 103 beispielsweise umfassen, dass beim Ausbilden des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls in einem Vergleichsmaterial, das im Wesentlichen keine lineare Absorption aufweist, eine Intensität entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls im Vergleichsmaterial variabel ist, z.B. zunimmt.

Im Schritt 103 kann eine speziell die lineare Absorption berücksichtigende Phasenaufprägung im Strahlformungssystem eingestellt werden. Beispielsweise können aufzuprägende Phasenanstiege in radialer Richtung in einer Mehrzahl von Strahlquerschnittsbereichen eingestellt werden (Schritt 103A). In der Phasenaufprägung können ferner geometrische Parameter (wie Größe und Lage) der Strahlquerschnittsbereiche angepasst/eingestellt werden (Schritt 103B). So können Größen von Strahlquerschnittsbereichen und/oder Lagen von Strahlquerschnittsbereichen bezüglich des Rohlaserstrahls, die einer einheitlichen Phasenaufprägung ausgesetzt werden, an vorgegebene Intensitätsanteile des Rohlaserstrahls angepasst werden. Neben diskreten z.B. ringförmigen Strahlquerschnittsbereichen können sich verschiedene Phasenaufprägung auch in einem Strahlquerschnittsbereich überlagern; beispielsweise können mehrere Phasenanstiege in radialer Richtung in einem Strahlquerschnittsbereich gleichzeitig umgesetzt werden, um aus diesem Strahlquerschnittsbereich Laserstrahlung mehreren Positionen entlang der optischen Achse zuzuführen.

Zusätzlich oder alternativ kann in Schritt 103 ferner ein Strahl durchmesser des Rohlaserstrahls an der Strahlformungsoptik eingestellt werden, um den Strahlquerschnittsbereichen (R A, R_B, R_C) zugeordneten Intensitätsanteile des Rohlaserstrahls einzustellen (Schritt 103C). So kann der Strahldurchmesser vergrößert oder verkleinert werden, um eine Phasenaufprägung, die auf eine andere als eine lineare Absorption eines zur Bearbeitung vorliegenden Materials ausgelegt wurde, auch für die andere lineare Absorption zu nutzen.

In einem Schritt 105 können Strahlparameter des Laserstrahls wie Pulsdauer und Pulsenergie nachgeregelt werden, sodass das Material des Werkstücks im quasi-nichtbeugenden Strahl (strukturell) modifiziert wird. In einem Schritt 107 wird die phasenaufgeprägte Laserstrahlung in das teiltransparente Material des Werkstücks fokussiert; d.h., zumindest ein Teil des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls wird im Werkstück derart positioniert, dass die eintretende lineare Absorption zumindest teilweise durch die Phasenaufprägung kompensiert wird.

Ferner kann in einem Schritt 109 einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl vorgenommen werden, bei der der quasi -nichtbeugende Laserstrahl entlang einer Abtasttrajektorie wiederholt im Material des Werkstücks positioniert wird, sodass eine Anordnung/ Aufreihung von Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtasttrajektorie eingeschrieben wird.

Die Figuren 6Aund 6B verdeutlichen eine modifizierte Geometrie eines Axicons für einen homogenisierten Bessel-Gauß-Strahl zur Bearbeitung eines teiltransparenten Materials. Fig. 6A zeigt eine lineare Abnahme der Dicke d eines konventionellen Axicons mit dem Abstand von der optischen Achse 9. Im Unterschied hierzu zeigt Fig. 6B eine Abnahme der Dicke d für ein entsprechend modifiziertes Axicon. Man erkennt eine anfangs (radial innen) stärkere Abnahme der Dicke d, gefolgt von einer langsameren Abnahme der Dicke d und wieder gefolgt von einer stärkeren Abnahme der Dicke d. Die Variation der Dicke d bewirkt, dass Intensitätsanteile in Propagationsrichtung nach hinten in den quasi-nichtbeugenden Laserstrahl verscho- ben/gebrochen werden. Die sich ergebende homogenisierte Intensitätsverteilung im teiltransparenten Werkstück entspricht dann bevorzugt der bereits in Fig. 4 gezeigten Intensitätsverteilung für die Bearbeitung eines im Wesentlichen transparenten Materials.

Wie bereits erwähnt wurde, kann eine entsprechende Phasenaufprägung alternativ oder zusätzlich reflektiv oder mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement vorgenommen werden.

Fig. 6C zeigt einen zwischen +7t und -7t oszillierenden Phasenverlauf (berechnet in einer Dün- nen-Elemente-Näherung), wie er mit Phasenschiebungswerten eines diffraktiven optischen Strahlformungselements nachgebildet werden kann. Das Einstellen der Phasenaufprägung mit einem diffraktiven optischen Strahlformungselement umfasst in einem rotationssymmetrischen Fall ein Einstellen von auf Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls aufgeprägten (sägezahnförmigen) Phasenanstiegen in radialer Richtung. Im Speziellen zeigt Fig. 6C den Phasenverlauf, der einer Phasenaufprägung in einem zentralen Bereich des modifizierten Axicons der Fig. 6B entspricht; d.h., der Phasenverlauf bildet das Höhenprofil des modifizierten Axicons nach. In Fig. 6B ist nur schwer zu erkennen, wie die Oszillation der Phasenschiebungswerte zwischen +K und -7t in ihrer Oszillationsfrequenz in radialer Richtung variiert, um die Abweichung vom festen Konuswinkel nachzuvollziehen.

Fig. 7 verdeutlicht die Ausbildung von Intensitätsverteilungen für die Materialbearbeitung von teiltransparenten Werkstücken mit einem rotationssymmetrischen optischen Strahlformungssystem und entsprechend rotationssymmetrischen Laserstrahlen und Intensitätsverteilungen.

Fig. 7 zeigt den Rohlaserstrahl 5‘, kurz bevor er auf ein konventionelles Axicon 15B bzw. ein modifiziertes Axicon 15C auftrifft. Ferner zeigt Fig. 7 Intensitätsverteilungen schematisiert, wie sie sich aufgrund der Strahlformung ergeben, und zwar nach oben aufgetragen in einem im Wesentlichen transparenten Material, d. h. ohne lineare Absorption (Intensität I(-)), bzw. nach unten aufgetragen in einem teiltransparenten Material, d. h. mit linearer Absorption (Intensität I (+)).

Das konventionelle Axicon 15B formt bei einem einfallenden Gauß-Strahl (beispielhaft Intensitätsverteilung G l) einen Bessel-Gauß-Strahl mit einer longitudinalen Intensitätsverteilung BG l(-) im transparenten Material und einen verformten Bessel-Gauß-Strahl mit einer longitudinalen Intensitätsverteilung BG_1(+) im teiltransparenten Material, wobei die Intensitätsverteilung BG_1(+) aufgrund der linearen Absorption in Propagationsrichtung schneller abnimmt als die Intensitätsverteilung BG_1 (-).

Für die Bearbeitung eines transparenten Materials kann das modifizierte Axicon 15B beispielsweise derart modifiziert, sein dass bei einem einfallenden Gauß-Strahl mit der Intensitätsverteilung G l und dem entsprechenden Strahldurchmesser D l im transparenten Material ein in Propagationsrichtung homogenisierter Bessel-Gauß-Strahl mit einer homogenisierten Intensitätsverteilung BG h(-) (entsprechend 31B in Fig. 4) ausgebildet wird. Ebenfalls wie in Fig. 4 angedeutet wird diese homogenisierte Intensitätsverteilung aufgrund der linearen Absorption bei der Einstrahlung in ein teiltransparentes Material verformt (Intensitätsverteilung BG_h(+); entsprechend 3 IC in Fig. 4). Vorausgesetzt, dass entsprechende Strahlparameter des Rohlaserstrahls 5‘ wie Pulsdauer und Pulsenergie eingestellt wurden, kann die homogenisierte Intensitätsverteilung BG h(-) Intensitäten erzeugen, die über eine Länge L(-) in Ausbreitungsrichtung zu einer nichtlinearen Absorption/Wechselwirkung mit dem transparenten Material führen. Man erkennt an der Intensitätsverteilung BG_h(+), dass diese Länge bei der Einstrahlung in ein teiltransparentes Material wesentlich verkürzt wird.

Zur Kompensation der linearen Absorption kann die Phasenaufprägung, d.h., beim Beispiel des modifizierten Axicons die Abnahme der Dicke d des Axicons mit dem Abstand von der Strahlachse 9 und bei einem diffraktiven optischen Element die Einstellung der Phasenschiebungswerte, angepasst werden, um durch „Umverteilen der Intensitätsanteile“ in der Längsrichtung z eine zumindest näherungsweise konstante Intensitätsverteilung zu bewirken.

Werden die Intensitätsanteile derart umverteilt, dass der Anstieg in Propagationsrichtung an die lineare Absorption angepasst ist und die Intensitätsabnahme im Wesentlichen kompensiert, kann sich so im teiltransparenten Material eine harmonisierte Intensitätsverteilung BG_2h(+) ausbilden. Auf diese Weise kann die homogenisierte Intensitätsverteilung BG_2h (+) Intensitäten erzeugen, die - vorausgesetzt, dass entsprechende Strahlparameter des Rohlaserstrahls 5‘ eingestrahlt wurden - über eine Länge L(+) in Ausbreitungsrichtung zu einer nichtlinearen Absorption/Wechselwirkung mit dem teiltransparenten Material führen. Vorausgesetzt eine entsprechende Laserleistung steht zur Verfügung, kann die Länge L(+) vergleichbar zu der Länge L(-) dimensioniert werden. Würde ein derart phasenaufgeprägter Laserstrahl in ein transparentes Material eingestrahlt, ergibt sich eine Intensitätsverteilung BG_2(-) entlang dem quasi- nichtbeugenden Laserstrahl, die mit der Eindringtiefe zunimmt.

Zur Kompensation der linearen Absorption kann alternativ oder ergänzend ferner beispielsweise mit dem Teleskop 17A der Strahl durchmesser des einfallenden Rohlaserstrahls 5‘ vergrößert werden (Strahldurchmesser D_2 in Fig. 7). Dadurch wird der Intensitätsanteil in den Querschnittsbereichen R_B, R_C erhöht. Da beispielsweise bei der Phasenaufprägung für die homogenisierte Intensitätsverteilung BG h(-) die äußeren Strahlanteile zu den hinteren Abschnitten 6B_T, 6C_T des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls beitragen, kann durch Vergrößern des Strahlradius bei einem Bessel-Gauß-Strahl (ausgehend von z.B. einer Phasenaufprägung für eine im transparenten Material homogenisierte Intensitätsverteilung BG_h(-)) im teiltransparenten Material die Absorption zumindest abschnittsweise kompensiert werden. Mit anderen Worten kann die Intensität entlang dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zumindest näherungsweise konstant vorliegen (ähnlich der homogenisierten Intensitätsverteilung BG_2h (+)). Im transparenten Material würde die Intensität entlang dem quasi-nichtbeugenden Laserstrahl zunehmen (Intensitätsverteilung BG_2(-)). Es wird angemerkt, dass die Intensitätsverläufe in Fig. 7 schematisiert dargestellt sind, um Intensitätsabnahmen oder Zunahmen anzudeuten, wobei auch die exponentiellen Einflüsse der linearen Absorption schematisch angedeutet sind.

Wie in Zusammenhang mit Fig. 7 angedeutet wurde, ergeben sich bei der Verwendung einer Strahlformungsoptik, die für ein transparentes Material optimiert wurde, mit einem angepassten Strahldurchmesser Unterschiede in den Intensitätsverteilungen für das transparente Material bzw. das teiltransparente Material. Der Fachmann wird anerkennen, dass dies auf die grobe Einstellung der Intensitätsanteile bei einer reinen Strahl aufweitung zurückgeht. Ferner können in Mischkonfigurationen der Strahlformungsoptik Intensitätsverteilungen erzeugt werden, die sowohl für transparente Materialien bei einem vorgegebenen Strahldurchmesser als auch für teiltransparente Materialien bei einem anderen Strahldurchmesser geeignet sind.

Fig. 8 verdeutlicht in einer Darstellung Details eines in einem teiltransparenten Material erzeugten quasi -nichtbeugenden Laserstrahls mit einem zentralen Intensitätsmaximum. Abbildung (a) zeigt einen Schnitt in Propagationsrichtung (z -Richtung), in dem man das ausgeprägte zentrale Intensitätsmaximum begleitet von radial außen liegenden (ringförmigen) Ne- benmaxima erkennt. Abbildung (b) zeigt einen Intensitätsverlauf in z-Richtung, der über im Wesentlichen die gesamte Länge ein Plateau ausbildet (homogenisierte Intensitätsverteilung). Die Abbildungen (cl), (c2) und (c3) zeigen jeweils einen Intensitätsverlauf (Strahlprofil) in einer transversalen Schnittebene (x-y -Ebene) am Anfang, in der Mitte und am Ende des Plateaus.

Das mittlere Strahlprofil bei z = 75 a.u. (Mitte des Plateaus) skaliert in den transversalen Dimensionen etwa um einen Faktor 2 im Vergleich zu den Profilen bei z = 10 a.u. (Anfang des Plateaus) bzw. z = 110 a.u. (Ende des Plateaus). Dies erkennt man z.B. am Durchmesser des zentralen Maximums. Die Variationen im Durchmesser des zentralen Maximums gehen darauf zurück, dass mehrere Einlaufwinkel beitragen und ein transversales Ausmaß des quasi-nicht- beugenden Laserstrahls von beitragenden Einlaufwinkeln auf die optische Achse an einer Position der Fokuszone in Längsrichtung abhängt.

Allgemein ist bei der Verwendung eines Beitrags von mehreren Einlaufwinkeln für die Intensität an einer Position in Längsrichtung zu beachten, dass die Einlaufwinkel (für eine durchgehend möglichst konstante Intensität) möglichst nicht zu einer Phasenverschiebung führen, die destruktive Interferenz bewirken. So weist Laserstrahlung, die unter einem ersten Winkel an die mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird, bevorzugt einen Phasenunterschied von weniger als ±7t/4 bezüglich Laserstrahlung auf, die unter einem zweiten Winkel an die (gleiche) mindestens eine Position der Mehrzahl von Positionen geführt wird.

Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass für einen inversen Bessel-Gauß-Strahl, der für ein teiltransparentes Material homogenisiert wurde, Strahlbeiträge des Zentrums des einfallenden Rohlaserstrahls zur Intensität am Ende des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls beitragen. Wenn für einen derartigen homogenisierten inversen Bessel-Gauß-Strahl eine Intensitätszunahme (ohne lineare Absorption) entlang des quasi-nichtbeugenden Laserstrahls erreicht werden soll, ist entsprechend eine Verkleinerung des Strahl quer Schnitts notwendig, um entsprechend Intensitätsanteile zu erhöhen, die den strahlabwärts liegenden Abschnitten des quasi- nichtbeugenden Laserstrahls zugeordnet sind.

In den Abbildungen (d) und (e) der Fig. 8 werden beispielhaft zentrale Ausschnitte von dif- fraktiven optischen Elementen / aufgeprägten Phasenprofilen zur Ausbildung inverser Besselartiger Strahlen gezeigt. Schematisch sind jeweils aneinander angrenzende Flächenelemente 15a angedeutet, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen. Jedem der Flächenelemente 15a ist ein Phasenschiebungswert zugeordnet, der durchtretender Laserstrahlung aufgeprägt wird. Die Phasenschiebungswerte in der Gitterstruktur bilden gemeinsam eine Phasenmaske, durch die der Rohlaserstrahl tritt, um eine entsprechende Phasenaufprägung zu erfahren.

Die Abbildung (d) gehört zu einer Phasenmaske zur Implementierung eines idealen (inversen) Axicons (die Periode im Durchlauf der Phasenschiebungswerte ändert sich nicht). Eine Phasenaufprägung mit einem derartigen diffraktiven optischen Element kann zur Ausbildung einer Intensitätsverteilung gemäß der Fig. 1 Abbildung (f) genutzt werden.

Die Abbildung (e) gehört zu einer Phasenmaske zur Implementierung eines (inversen) modifizierten Axicons (die Perioden im Durchlauf der Phasenschiebungswerte sind radiusabhängig). Die Phasenverteilung ist gerade so ausgelegt, dass bei einem bestimmten Strahldurchmesser eine longitudinale Homogenisierung im teiltransparenten Werkstück unter Berücksichtigung des zugehörigen Absorptionskoeffizienten zu erwarten ist. Wird ein größerer Strahldurchmesser gewählt, kann man in einem transparenten Material in guter Näherung ein Intensitätsprofil eines inversen homogenisierten Bessel-Strahls erzeugen, das dem in Fig. 4 gezeigten nahekommt.

Es wird angemerkt, dass hinsichtlich der Abbildungen (d) und (e) der Fig. 8 komplex-konjugierte Phasenverteilungen (invertiertes Vorzeichen der Phasenschiebungswerte) die Implementierungen von entsprechenden realen Axicon-Optiken erlauben.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ausbilden eines Strahlformungselements, das zur Verwendung bei der Materialbearbeitung eines teiltransparenten Werkstücks in einem optischen System für die Formung eines quasi -nichtbeugenden Laserstrahls (mit einer aus der Phasenaufprägung resultierenden Intensitätsverteilung) aus einem Rohlaserstrahl vorgesehen ist. Ziel ist es, eine Phasenaufprägung für eine vorgegebene transversale Intensitätsverteilung des Rohlaserstrahls, insbesondere einen vorgegebenen Strahldurchmesser des Rohlaserstrahls, und eine vorgegebene lineare Absorption des teiltransparenten Materials des Werkstücks einzustellen. Mit dem Verfahren kann insbesondere der Phasenverlauf einer Phasenmaske, die mit einem diffraktiven optischen Element erzeugt wird, bestimmt werden.

Gegeben ist das Absorptionsverhalten des zu bearbeitenden Materials. Beispielsweise durch eine Messung der Intensität Pd in Fig. 3D kann ein linearer Absorptionsparameter (die „optical depth T“) des teiltransparenten Materials im Frequenzbereich des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls bereitgestellt werden (Schritt 201). Darauf basierend berechnet man (oder legt fest) die Ziel-Intensitätsverteilung auf der optischen Achse im Werkstück, die benötigt wird, um das Material z.B. über die gesamten Dicke d oder auf einer gewünschten Länge zu modifizieren (Schritt 203). Ein Festlegen einer Ziel-Intensitätsverteilung im Werkstück entlang einer optischen Achse des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls kann derart erfolgen, dass bei der Ziel-Intensitätsverteilung zumindest abschnittsweise eine Intensität über einer Intensitätsschwelle vorliegt, die für eine nichtlineare Absorption, die von einer jeweils vorliegenden Laserstrahlungsintensität abhängig ist, zur Modifizierung des Materials des Werkstücks an einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse notwendig ist. Für die Bestimmung der Phasenverteilung ist ferner ein transversales Strahlprofil des Rohlaserstrahls (Intensitätsprofil) vorzugeben, auf das die Phasenverteilung aufzuprägen ist (Schritt 205).

Für die Ziel- Intensitätsverteilung wird dann ein Optikdesign eines Axicon-ähnlichen Elements (z.B. modifiziertes refraktives oder reflektives Axicon oder diffraktives optisches Element) berechnet (Schritt 207):

—Ausgehend von einer Phasenaufprägung mit einem Axicon (Anstiegswinkel/Phasenanstieg ist konstant), erfolgt eine Unterteilung in radiale Elemente, in denen der Anstiegswinkel geändert werden kann. Ein Phasenanstieg entspricht einem Einlaufwinkel, unter dem Laserstrahlung zur optischen Achse geführt wird. (Unterteilen des transversalen Strahlprofils in, insbesondere ringförmig ausgebildete, Strahlquerschnittsbereiche (entsprechend Zonen des DOE oder radialen Bereiche des Axicons) - Schritt 207A - sowie Zuordnen von, insbesondere identischen linearen, Phasenanstiegen in radialer Richtung über die Strahlquerschnittsbereiche als Anfangsphasenverteilung - Schritt 207B)

—Eine Änderung der Anstiegswinkel in den radialen Elementen führt zu einem neuen Höhenprofil des nun modifizierten Axicons mit einer entsprechend modifizierten Phasenaufprägung. In Verbindung mit den bekannten Leistungsanteilen des Rohstrahls führt das zu einer Umverteilung des Leistungseintrags in die Fokuszone, die berechnet werden kann.

—Eine, z.B. iterative, Anpassung der Anstiegswinkel kann bis zur Vorlage der gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung durchgeführt werden. (Iteratives Anpassen der Phasenanstiege in den Strahlquerschnittsbereichen und Berechnen der sich im Werkstück nach Durchstrahlen des optischen Systems mit dem Rohlaserstrahl ergebenden Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse unter Berücksichtigung des linearen Absorptionsparameters solange, bis eine die lineare Absorption kompensierende Phasenverteilung vorliegt, mit der sich die Ziel-Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse im Werkstück ergibt - Schritt 207C)

Die iterativ angepassten Phasenanstiege der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung in Verbindung mit in den Strahlquerschnittsbereichen vorliegenden Intensitätsanteilen des Rohlaserstrahls können für eine Umverteilung der zum quasi -nichtbeugenden Laserstrahl beitragenden Laserstrahlung entlang der optischen Achse zur Ausbildung der Ziel-Intensitätsverteilung bewirken. Für die Ausbildung des Strahlformungselements wird das Strahlformungselements mit der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung versehen (Schritt 209). Dazu kann aus der kompensierenden Phasenverteilung ein spezielles Höhenprofil für ein optisches Mate- rial/Spiegel abgeleitet werden, um ein refraktives oder reflektives optischen Axicon-El em ent mit dem Höhenprofil aus dem optischen Material als Dickenprofil eines optischen Materials bzw. Spiegelprofil zu formen. Ferner kann eine diffraktive Umsetzung der kompensierenden Phasenverteilung mit einem diffraktiven optischen Element erfolgen (z.B. ein Fresnel-Axicon- ähnliches diffraktives optisches Element, dessen Phasenschiebungswerte fest eingestellt sind, oder ein räumlicher Lichtmodulator, dessen Phasenschiebungswerte entsprechend der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung eingestellt wurden).

Die kompensierende Phasenverteilung mit der Mehrzahl von beitragenden Konuswinkeln führt dazu, dass der Laserstrahl als eine Mehrzahl von Teilstrahlen betrachtet werden kann, wobei jeder der Teilstrahlen einen unterschiedlichen Einlaufwinkel aufweisen kann, mit dem er in das Werkstück eintritt und auf die optische Achse zuläuft. Die verfahrensgemäß bestimmten Einlaufwinkel hängen von der Lage und den Intensitäten in den jeweiligen Strahlquerschnittsbereichen des Rohlaserstrahls ab.

Aufgrund der die lineare Absorption kompensierenden Phasenverteilung wird Laserstrahlung zu mindestens einer Position einer Mehrzahl von Positionen entlang der optischen Achse unter mehreren Winkeln geführt. Beispielsweise umfassen die Strahlquerschnittsbereiche des Rohlaserstrahls mindestens zwei ringförmig ausgebildete Strahlquerschnittsbereiche. Die Phasenanstiege für die zwei ringförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereiche können derart eingestellt werden, dass Laserstrahlung von den zwei ringförmig ausgebildeten Strahlquerschnittsbereichen einer gemeinsamen Position der Mehrzahl von Positionen unter zwei unterschiedlichen Konuswinkeln zugeführt wird.

Die hierin zur Beschreibung der Konzepte eingeführten Begriffe „Strahlquerschnittsbereich“ und zugehöriger „Abschnitt des quasi -nichtbeugenden Strahls“ sowie deren Kenntlichmachung in den Figuren erzwingen keine feste Zuordnung eines Flächenbereichs zu einem Abschnitt. Vielmehr kann ein Strahlquerschnittsbereich eines diffraktiven optischen Strahlformungselements auch mehrere Abschnitte des quasi -nichtbeugenden Strahls mit Laserstrahlung versorgen, wenn zum Beispiel Beugungsstrukturen übereinandergelegt werden. Der Fachmann wird ferner verstehen, dass hier keine Einschränkung auf diskrete Abschnitte vorgenommen werden muss, sondern dass auch kontinuierliche Abschnitte als Grenzfall mit eingeschlossen sind, siehe das in Fig. 7 gezeigte Beispiel des modifizierten Axicons mit einer homogeni si erten Intensitätsverteilung.

Mit Blick auf die Materialbearbeitung eines teiltransparenten Materials unter Einbezug der nichtlinearen Absorption des Materials kann ein quasi-nichtbeugender Laserstrahl eine Modifikation im Material bewirken, die sich über die gesamte Länger des quasi -nichtbeugenden Laserstrahls erstreckt. Der Fachmann wird anerkennen, dass basieren auf den hierin offenbarten Konzepten auch eine lineare Aufreihung/ Anordnung oder zum Beispiel flächige Anordnung von Modifikationszonen mit dem quasi -nichtbeugenden Laserstrahl erzeugt werden kann. Hierzu kann eine Strahlformung verwendet werden, die zum Beispiel in Propagationsrichtung eine Aufreihung von lokalen Intensitätsmaxima erzeugt (siehe Fig. 4). Die Intensitätsmaxima können von einem Einhüllenden-Profil begrenzt werden. Das Einhüllenden-Profil kann ebenfalls geformt werden und beispielsweise in seinem Verlauf den in Fig. 7 gezeugten Intensitätsverläufen entsprechen.

Als Ergebnis der laserbasierten Materialbearbeitung kann ein teiltransparentes Werkstück vorliegen, in das eine Mehrzahl von beabstandeten oder ineinander übergehenden Modifikationen eingebracht wurde. Die Modifikationen können zusätzlich Risse im Material ausbilden, die sich zwischen benachbarten Modifikationen oder allgemein zufällig ausgehend von einer der Modifikationen in das Material des Werkstücks hinein erstrecken.

Zur Vollständigkeit wird darauf hingewiesen, dass neben einer Intensitätsverteilung in einer Fokuszone, die eine einzige symmetrische Modifikation hervorruft, eine Phasenaufprägung z.B. mit einem diffraktiven optischen Element vorgenommen werden kann, die zu einer Intensitätsverteilung in der Fokuszone führt, die eine asymmetrische (z.B. in einer Richtung abgeflachte) Modifikation oder mehrere parallel zueinander verlaufende Modifikationen hervorruft (siehe Abbildung (c) der Fig. 1). Allgemein kann die Modifikation oder die Anordnung von Modifikationen mit einem Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt werden. Beispielhafte Phasenaufprägungen und Intensitätsverteilungen sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0, “Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage”, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv: 1911.03103vl [physics. optics] 8 Nov 2019 offenbart. Derartige asymmetrische Modifikationen oder Aufreihungen von Modifikationen können ebenfalls mit den hierin offenbarten Konzepten für die Bearbeitung von teiltransparenten Materialien kombiniert werden. Mit anderen Worten kann auch eine Strahlformung, die für derar- tige asymmetrische Modifikationen vorzunehmen ist, mit einer Phasenaufprägung kombiniert werden, die die Beeinflussung der Intensität entlang des quasi -nichtbeugenden Strahls bei der Propagation durch das Material ausgleichen kann.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.