Materials, sowie mehrphasiger Kompositwerkstoff.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten

Erzeugung von Modifikationen in oder an einem mehrphasigen transparenten Material, insbesondere mit Hilfe eines Kurzbzw. Ultrakurzpuls-Lasers.

Ein solches Verfahren kann zur effizienten lokalen

Modifizierung des Werkstücks bzw. seiner

Materialeigenschaften eingesetzt werden, wie auch der

Kompositwerkstoff entsprechend lokal effizient modifiziert werden kann. Insbesondere kann ein solches Verfahren zur effizienten Erzeugung von entlang einer vorgegebenen Kontur aufgereihten linienhaften Modifikationen eingesetzt werden, wie auch in dem Kompositwerkstoff solche linienhaften

Modifikationen effizient erzeugt werden können. Das

Verfahren eignet sich dann zum Trennen des Werkstücks, wie auch der Kompositwerkstoff entsprechend einfach getrennt werden kann.

Generell stehen zur Erzeugung von Modifikationen in oder an transparenten Materialien mit Hilfe von Laserstrahlung zahlreiche verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.

Die JP002011147943A beschreibt beispielsweise die

Unterdrückung thermischer Effekte bei der Laserbearbeitung von Substraten. Dazu wird endseitiger Teil eines Substrats mittels eines Bessel-Strahls laserbearbeitet. Auch im speziellen Fall linienhafter Modifikationen, das heißt im Falle der gewünschten Erzeugung linien- oder fadenförmiger Defekte, stehen bereits eine Reihe von

Techniken zur Verfügung.

In „Femtosecond filamentation in transparent media", A.

Couairon, A'. Mysyrowicz, Physics Reports Vol. 441, Issues 2-4, March 2007, Pages 47-189 werden die wesentlichen Mechanismen bei der Ausbildung der Filamentierung

ultrakurzer Laserpulse in verschiedenen transparenten Medien beschrieben.

Auch aus der WO 2012/006736 A2 ist bekannt, dass man unter Ausnutzung nichtlinearer optischen Eigenschaften

transparenter Werkstoffe (u.a. des elektrooptischen Kerr- Effekts und Mehrphotonen-Absorption) durch Einkopplung von Laserstrahlung ausreichender Strahlungsintensität (>

10 ¹² W/m ² ) Modifikationen im Glas in Form permanenter linien- bzw. fadenförmiger Defekte bzw. Schädigungen erzeugen kann. Die Aneinanderreihung solcher linienhaften Schädigungen in Glas durch eine sich zeitlich und räumlich verändernde Lasereinstrahlung (z.B. entlang einer Kontur auf der Oberfläche eines Werkstücks) ermöglicht im

Werkstück räumlich ausgedehnte Modifikationen. Diese können - bei geeigneter Lage und Ausbildung - auch das Trennen von transparenten Substraten erlauben.

Die dazu benötigten hohen linienförmigen

Strahlungsintensitäten können mit Hilfe verschiedener physikalischer Effekte generiert werden: eine Möglichkeit ist die Ausbildung eines „echten" Filaments, ein durch die Laserstrahlung durch Kerr-Effekt und Plasma-Defokussierung selbst geschaffener Wellenleiter mit einem Durchmesser von ca. 1 μπι und einer bestimmten Länge („Soliton"); die andere Möglichkeit ist die gezielte, deterministische Erzeugung einer linien- bzw. fadenförmiger Intensitätsverteilung mit Hilfe einer strahlformenden Optik, wobei der Durchmesser der Intensitätsverteilung durch die nichtlineare

Wechselwirkung mit der Laserstrahlung noch wesentlich verkleinert wird. Ein Filament stellt einen sich selbst stark verengenden und über einen im Vergleich zum Durchmesser des Filaments sehr lang propagierenden Laserstrahl hoher Intensität dar und entsteht durch einen oder mehrere kurze oder ultrakurze Laserpulse ausreichender Leistung durch nichtlineare

Wechselwirkung des Strahls mit dem Medium. Oft wird auch die hierdurch verursachte linienhafte, bleibende

Modifikation, wie etwa eine Brechzahländerung oder die linienhafte, bleibende Schädigungs zone im Material als „Filament" bezeichnet.

Die zugehörige Laser-Technologie wird auch als Ultra-Short- Pulse-(USP)- Technologie bzw. als Ultrakurzpuls-Laser- Technik bezeichnet. Dabei erfährt der Laserstrahl im

Inneren des Glases infolge der durch den Kerr-Effekt bewirkten lokalen Erhöhung des Brechungsindex eine

Selbstfokussierung, wodurch die Intensität immer weiter ansteigt, was wiederum zu einer lawinenartigen Freisetzung von Elektronen führen kann, bis die Elektronendichte in einem Punkt so hoch wird, dass die dadurch verursachte Änderung der lokalen komplexen Permittivität des Materials zu einer Verringerung des Brechungsindex als auch zu einer Erhöhung der Absorption führt. Im Extremfall kommt es zu einer Plasmaexplosion, bei der das Glas durch die

absorbierte Laserenergie irreversible Schäden rund um die Plasmaentstehungsstelle erleiden kann. Die Verringerung des Brechungsindexes führt zu einer Defokussierung der

Reststrahlung. Nach der Defokussierung des Reststrahls kann es zu einer erneuten Fokussierung kommen, welche wiederum in einem Kollaps mit einhergehender Freisetzung von

Leitungselektronen endet. Dies wird als

Refokussierungszyklus bezeichnet. Dieser Effekt wiederholt sich je nach Pulsleistung ggf. mehrfach, solange

ausreichend Energie vorhanden ist.

Die Leistung des filamentartig propagierenden Laserstrahls nimmt entlang des Filaments ab. So absorbieren die ersten Plasmaspots die größte Energie und erzeugen auch die größten Schädigungen. Die Refokussierungszyklen sind aufgrund der stattfindenden Energiedissipation nur über begrenzte Längen möglich.

Ein solches als Filamentierung bezeichnetes Einbringen von Defekten in Glas und Glaskeramik wird auch in der

DE 10 2012 110 971 AI beschrieben.

Aus der WO 2014/111385 AI ist bekannt, dass derartige linienhafte, bleibende Modifikationen in transparenten Werkstoffen wie Glas mittels geeigneter Einkopplung von Kurz- und Ultrakurzpulslaserstrahlung auch dadurch erzeugt werden können, dass durch geeignete Strahlformung der

Laserstrahl nicht auf einen (nahezu) punktförmigen

Fokusbereich fokussiert wird, sondern vielmehr auf eine „Fokuslinie" bestimmter Länge. Im Unterschied zu einem echten Filament, bei welchem der stark verengte, Laserstrahl entlang der Filamentlinie propagiert, dabei an Leistung verliert und sich schließlich (mit stark

reduzierter Restleistung) wieder aufweitet, erfolgt bei der Ausbildung einer Fokuslinie die Einstrahlung entlang der Linie kontinuierlich radial mit einem Einfallswinkel von weniger als 90° in Richtung der optischen Achse. Dies kann, wie in verschiedenen Ausführungsbeispielen der WO

2014/111385 AI beschrieben, z.B. durch Linsen oder

Linsensysteme erfolgen, bei denen der Fokusabstand mit dem Strahlradius variiert, oder auch durch Verwendung konisch geschliffener Linsen (Axikons) , welche Punktstrahlquellen auf eine Linie abbilden. Auch in diesen Fällen kann es bei geeigneter Strahlformung und ausreichender Strahlleistung im Bereich der Fokuslinie durch nichtlineare Wechselwirkung mit dem Medium zu dauerhafter Modifizierung bzw. Schädigung des Materials kommen. Die Aneinanderreihung solcher

linienhaften Schädigungen in Glas durch eine sich zeiträumlich verändernde Lasereinstrahlung (z.B. entlang einer Linie auf der Oberfläche eines Werkstücks) ermöglicht auch in diesem Fall im Werkstück räumlich ausgedehnte

Modifikationen. Diese können - bei geeigneter Lage und Ausbildung - auch in diesem Fall das Trennen von

transparenten Substraten erlauben. Da ein signifikanter Anteil der Laserstrahlung seitlich/radial - und nicht wie bei der echten Filamentation im sich ausbildenden Filament nahezu nur in Richtung der optischen Achse - zugeführt wird, können so in dielektrischen Festkörpern wie Glas bedeutend längere Schädigungslinien ohne zu starke

Schwächung des Laserstrahls erzeugt werden.

Aus der KR 2014-0072448 (A) ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Schneiden von Glas mittels eines Axikon als optischem Element bekannt, bei welcher das Glas mit einem

Laserstrahl bestrahlt wird. Mittels einer kollimierenden Linse innerhalb des Laserstrahls und der genannten Axikons wird ein Strahl mit einem Mehrfach-Fokus erzeugt. Das Glas wird innerhalb des Fokusbereichs angeordnet.

Weiter ist bekannt, dass mittels „einfacher" Fokussierung geeigneter Laserstrahlung ausreichender Leistung auf oder in ein Medium (d.h. ohne Abbildung des Strahls auf eine Fokuslinie, ohne Ausbildung eines filamentartig

propagierenden Strahls) durch nichtlineare Wechselwirkung mit dem Medium räumlich lokalisierte Modifikationen bzw. Schädigungen im Medium erzeugt werden können. Dies wird bei allen Formen der Laser-Ablation bei der Bearbeitung von Oberflächen ausgenutzt, oder auch bei der Einbringung von gezielten, punktförmigen Veränderungen innerhalb eines transparenten Materials („Laser-Scribing" ) , oder auch beim Punktschweißen zweier aufeinander gelegter, transparenter Werkstücke, z.B. zweier Glasplatten. Auch ist es möglich, eine Vielzahl solcher Fokuspunkte nacheinander zu

modifizieren, so dass eine perlenkettenartige

Aneinanderreihung von Modifikationen bzw. Schädigungen entlang einer Linie vorliegt. Ein solches Verfahren ist z.B. in der US 2005/173387 AI beschrieben.

Es ist weiterhin aus „Femtosecond laser-induced color change and filamentation in Ag+-doped Silicate glass", H.Sun et al., Chinese Optics Letters, Vol. 7 Issue 4, pp . 329-331 (2009) bekannt, mit Laserbestrahlung

Farbänderungen und multiple Filamentierung in Gläsern zu erzielen . Strukturänderungen in Glaskeramik können auch reversibel sein. Dieser Effekt wird in „On the Reversibility of Laser- induced Phase-structure Modification of Glass-ce amics" , Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 1 Nr. 2, 2006 beschrieben.

Bei Glaskeramik handelt es sich um einen Werkstoff, der eine amorphe Glasphase und mindestens eine Kristallphase aufweist. Der Herstellungsprozess von Glaskeramiken beginnt mit einem sogenannten Grünglas, das einer speziellen

Temperaturbehandlung unterzogen wird, . wobei eine

Teilkristallisation, die Keramisierung genannt wird, stattfindet. Dabei bilden sich im glasigen Material

einzelne, fein verteilte Kristalle. Dieser

Umwandlungsprozess des Materials lässt sich in eine Keim ^¬ bildung und das anschließende Kristallwachstum an dem

Kristallisationskeim unterteilen. Zur Keimbildung werden dem Grünglas absichtlich Verunreinigungen hinzugegeben. Diese fallen bei Erwärmung aus und wirken als Kristalli ^¬ sationskeime. Beim Keramisieren müssen beide Vorgänge, die möglichst gleichmäßig verteilte und dichte Keimbildung und das Kristallwachstum, aufeinander abgestimmt sein. Dies lässt sich über die Temperatur steuern.

Strukturelle Änderungen von Glaskeramik nach

Laserbestrahlung sind aus dem Artikel „Structure and properties of glass ceramics after laser treatment", Glass and Ceramics Vol. 56, Issue 5-6 (1999), 144 - 148 bekannt.

Wesentliche Eigenschaften einer Glaskeramik werden durch das Volumenverhältnis von amorpher zu kristalliner Phase bestimmt, zudem aber auch durch die Tatsache, dass sich der Glaskeramik auch die ursprünglichen . Keime befinden, welche sich in ihrer usammensetz ng von der auf achsenden kristallinen Phase unterscheiden. Streng genommen ist die Glaskeramik somit mindestens dreiphasig. Die verschiedenen Phasen der Glaskeramik zeichnen sich durch eine

unterschiedliche Dielektrizitätszahl aus. Dies hat

Auswirkung auf die Lichtgeschwindigkeit in der Glaskeramik, da die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium unter anderem von der Größe der Dielektrizitätszahl abhängt.

Es ist ferner allgemein bekannt, dass es bei

Blaseneinschlüssen in Glas zur Plasmabildung kommen kann, wenn ein Laserstrahl auf die Grenzfläche Glas-Luft trifft. Hierbei handelt es sich jedoch eher um eine störende

Erscheinung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. einen gattungsgemäßen

Kompositwerkstoff dahingehend weiterzuentwickeln, dass Materialmodifikationen ausreichender Größe, Stärke bzw. Schädigung erhalten werden. Ein Aspekt der Aufgabe ist es demnach, Materialmodifikationen auf effiziente Weise zu erzeugen .

Beispielsweise können linienhafte Materialmodifikationen ausreichender Länge gewünscht sein, um damit ein

nachfolgendes Trennen (z.B. durch das Aufbringen einer Biegespannung) des Werkstücks entlang einer Linie von nebeneinander eingefügten Modifikationslinien zu

erleichtern. In diesem beispielhaften Fall können diese linienhaften Materialmodifikationen sowohl durch einen filamentartig propagierenden Laserstrahl als auch durch einen auf eine Fokuslinie abgebildeten Laserstrahl oder auch durch eine linienhafte Aneinanderreihung von

Fokuspunkten erzeugt werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen

Ansprüche gelöst .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in oder an einem transparenten Werkstück Modifikationen mittels einer

Laserbearbeitungsvorrichtung erzeugt.

Dabei wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung verwendet, die einen Kurzpuls- oder Ultrakurzpulslaser, der eine

Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Transparenzbereich des Werkstücks ausstrahlt, und eine Strahlformungsoptik zur Strahlformung, insbesondere zur Fokussierung der

Laserstrahlung aufweist.

Insbesondere wird dabei ein transparentes Werkstück

verwendet wird, das aus einem Material besteht, welches mehrere Phasen aufweist, von denen zumindest zwei Phasen unterschiedliche Dielektrizitätszahlen besitzen, von denen wiederum die eine Phase eine in Form von Partikeln

eingeschlossene Phase ist, die von der anderen Phase umgeben oder zumindest im Wesentlichen umgeben ist, und wobei das Produkt aus dem in Kubiknanometern angegebenen Volumen der Partikel und dem Verhältnis des Betrages der Differenz der zwei unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen zu der Dielektrizitätszahl der umgebenden Phase größer als 500, vorzugsweise größer als 1000, besonders bevorzugt größer als 2000 ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es überraschend, dass die Modifikationen in oder an dem transparenten

Werkstück eine größere Ausdehnung erreichen, als an einem Werkstück aus dem gleichen Material, welches keine in Form von Partikeln eingeschlossene Phase aufweist.

Bei dem Verfahren wird ein Werkstück verwendet, das aus einem Material besteht, welches mehrere Phasen aufweist. Zumindest zwei dieser Phasen besitzen voneinander

unterschiedliche Dielektrizitätszahlen . Die eine der beiden Phasen wird hierbei in Form von Partikeln von der anderen Phase eingeschlossen bzw. im Wesentlichen umgeben. Ferner ist das Produkt aus dem in Kubiknanometern angegebenen Volumen der Bereiche der eingeschlossenen Phase . und dem Verhältnis des Betrages der Differenz der zwei

unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen zu der

Dielektrxzitätszahl der umgebenden Phase größer als 500, vorzugsweise größer als 1000, besonders bevorzugt größer als 2000.

Dies kann auch so ausgedrückt werden, dass das Produkt aus dem um eins verminderten Verhältnis der zwei

unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen und dem in

Kubiknanometern angegebenen Volumen der Partikel größer als fünfhundert, vorzugsweise größer als eintausend, besonders bevorzugt größer als zweitausend ist, wobei das Verhältnis der zwei unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen größer als eins ist. Der beschriebene Zusammenhang kann auch in folgender Formel ausgedrückt werden: ( Partikelvolumen/nm ³ ) · (|Δε _Γ |/ε _Γ ) > x mit x e {500, 1000, 2000}, mit ε _Γ als Dielektrizitätszahl der einen Phase, vorzugsweise eines glasigen Mediums, beziehungsweise der Restglasphase, und | Δε _Γ I dem Betrag der Differenz der Dielektrizitätszahlen des glasigen Mediums und der eingeschlossenen Phase.

Das angegebene Volumen der Partikel bezieht sich nicht auf das Gesamtvolumen aller Partikel, sondern auf das Volumen eines der Partikel; es kommt hierbei insbesondere ein Durchschnitt, z.B. auch über zumindest 50 Prozent der Partikel, oder auch ein Median in Betracht, wie weiter unten ausgeführt ist.

Bei dem Material des Werkstücks kann es sich insbesondere um Glaskeramik, aber auch um Kompositwerkstoffe handeln. Bei der eingeschlossenen Phase kann es sich insbesondere um eine kristalline Phase handeln. Die Bereiche der von einer anderen Phase im Wesentlichen umgebenen, eingeschlossenen Phase, bei denen es sich insbesondere um fertig gewachsene Kristalle in Glaskeramik handeln kann, werden als Partikel bezeichnet.

Es hat sich dabei überraschend gezeigt, dass gerade

Glaskeramiken auf die Einwirkung hochenergetischer

Laserpulse erheblich anders reagieren als das Grünglas, aus welchem die Glaskeramik gefertigt wird.

Insbesondere hat sich gezeigt, dass in einem derartigen mehrphasigen Werkstück mit einer bestimmten Laserleistung eine Schädigung bzw. Defekt erzeugt werden kann, welche erheblich größeren Ausmaßes ist als bei einem einphasigen Werkstück aus dem gleichen Material bei derselben

Laserleistung. Insofern ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, in einem mehrphasigen Werkstück bei im Vergleich zur Bearbeitung eines einphasigen Werkstücks

gleichbleibender Laserleistung Modifikationen größeren Ausmaßes zu erzeugen oder aber in einem mehrphasigen

Werkstück bei gegenüber der Bearbeitung eines einphasigen Werkstücks verminderter Laserleistung Modifikationen in einer vergleichbaren Größe zu erzeugen.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden in einem transparenten Werkstück entlang einer Linie nebeneinander aufgereihte linienhafte Materialmodifikationen hergestellt. Dazu wird die mittels der Strahlformungsoptik geformte, vorzugsweise fokussierte Laserstrahlung relativ zu dem Werkstück bewegt, um linienhafte Modifikationen im

Werkstück entlang der Bewegungsrichtung herzustellen. Jede linienhafte Modifikation wird durch mindestens einen

Laserpuls erzeugt. Es können auch mehrere Pulse

nacheinander an einem Ort erfolgen, bzw.

aufeinanderfolgende Laserpulse können auch in Form von Bursts abgegeben werden.

Im Falle einer Filamentierung des Materials können die linienhaften Materialmodifikationen jeweils einen in der Regel mindestens 500 Mikrometer langen Kanal,

typischerweise mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer, von Defekten darstellen.

Der Pfad, beziehungsweise die Linie, entlang derer die linienhaften Modifikationen nebeneinander aufgereiht werden, kann geradlinig, krumm und/oder auch gewinkelt sein, beziehungsweise Ecken aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann - abgesehen von der Erzeugung linienhafter Modifikationen - auch dazu verwendet werden, Modifikationen an der Oberfläche des transparenten Werkstücks zu erzeugen. Dazu wird mittels der

Laserstrahlung Material von der Oberfläche abgetragen.

Darunter fällt zum Beispiel das Verfahren der

Laserablation . In diesem Fall kann mit dem

erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, dass eine tiefere und/oder umfassendere Materialabtragung an der Oberfläche erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch dazu verwendet werden, Modifikationen im Inneren des

transparenten Werkstücks zu erzeugen. Dazu können die

Parameter des Kurzpuls- oder Ultrakurzpulslasers so

eingestellt werden, dass Beschädigungen an der Oberfläche des transparenten Werkstücks vermieden . werden .

Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren also auch dazu verwendet werden, Innenmarkierungen oder

Innenschädigungen in dem transparenten Werkstück zu

erstellen. Bei passenden Parametern können dabei

Beschädigungen einer Oberfläche, durch die der Laserstrahl in das Werkstück eintritt, ausgeschlossen werden.

Insbesondere können auch Hohlräume im Inneren des

Materials, sogenannte Voids, erzeugt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere

ausgeprägtere Innenmarkierungen und größere Voids erzielt werden .

Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbarer

Kompositwerkstoff, insbesondere in Form einer Glaskeramik oder auch ein Polymerwerkstoff, zeichnet sich dadurch aus, dass das Produkt aus dem in Kubiknanometern angegebenen Volumen eines Bereichs der wenigstens einen zweiten Phase und dem um eins verminderten Verhältnis . der

Dielektrizitätszahlen der ersten Phase und der wenigstens einen zweiten Phase größer als fünfhundert, vorzugsweise größer als eintausend, besonders bevorzugt größer als zweitausend ist, wobei die Dielektrizitätszahl der ersten Phase Sri größer gleich der Dielektrizitätszahl der

wenigstens einen zweiten Phase ε _Γ 2 ist.

Das Produkt GE = (Partikelvolumen/nm ³ ) · (|Δε _Γ |/ε _Γ ) mit GE > 500, vorzugsweise GE > 1000, besonders bevorzugt GE > 2000 ist eine für einen nachfolgend erläuterten

Grenzflächeneffekt charakteristische Größe. Bei dem

erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff wird als Produkt GE dabei das. über die Volumenanteile gewichtete Mittel der entsprechenden Produkte genommen. Als physikalische Ursache kann angenommen werden, dass die Normalkomponente der elektrische Feldstärke E an einer Grenzfläche eines

Materials einen Sprung erfährt. Die Feldstärken Ei, E2 verhalten sich dabei umgekehrt proportional zum Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten. Es gilt also E2/E1 = ε _Γ ι/ε _Γ 2. Deswegen verdoppelt sich die Feldstärke beim Übergang von einem dielektrischen Material mit ε _χ ι = 4 in eines mit s _r2 = 2.

Erfindungsgemäß verläuft im Inneren des Kompositwerkstoffs wenigstens eine linienhafte Modifikation des Materials, welche einen mindestens 500 Mikrometer langen Kanal von Defekten darstellt. Diese linienhaften Modifikationen können sich über die gesamte Dicke des Werkstücks erstrecken, insbesondere wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung am Ort der zu erzeugenden Modifikation senkrecht auf eine Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist. Jede linienhafte Modifikation stellt einen Kanal von Defekten im Wesentlichen in Richtung der optischen Achse dar. Es ist vorgesehen, in einer Linie nebeneinander bzw. hintereinander aufgereiht solche

linienhaften Modifikationen zu erzeugen. Entlang dieser Linie, welche auch eine beliebig geformte Kurve sein kann, kann das Werkstück dann in einem nachfolgenden Prozess getrennt werden. Die Linie kann also als Trennlinie dienen.

Die reihenartige Anordnung der linienhaften Modifikationen entlang einer vorgegebenen Kontur, welche der gewünschten Trennlinie bzw. späteren Bruchlinie entspricht, wird durch eine Relativbewegung der geeignet geformten, vorzugsweise fokussierten, gepulsten Laserstrahlung bezüglich des

Werkstücks erreicht.

Zur Erzeugung einer Modifikation, insbesondere

linienförmiger Modifikationen als Teil einer gesamten

Trennlinie, kann der Laserpuls auch in Form eines Bursts abgegeben werden. "Burst" bedeutet, dass der eigentliche Laserpuls in mehrere Teilpulse zerlegt wird, die ein

Pulspaket ausmachen. Der Kurzpuls- oder Ultrakurzpulslaser wird in diesem Fall also im sogenannten Burst-Mode

eingesetzt. Die Burst-Freguenz , die den zeitlichen Abstand der Teilpulse eines Bursts beschreibt, ist in der Regel viel größer als die Repetitionsrate des gepulsten Lasers und kann zum Beispiel 50 MHz betragen, im Vergleich zu einer Repetitionsrate von zum Beispiel nur 1 kHz. Aus diesem Grund werden alle Laserteilpulse eines Bursts nahezu am gleichen Ort in das Werkstück eingekoppelt und tragen alle zur Ausbildung einer einzigen Modifikation,

vorzugsweise einer linienhaften Modifikation, bei.

Weitere wichtige Parameter des Kurzpuls- oder

Ultraku zpulslasers sind seine Wellenlänge,- die im

Transparenzbereich des Werkstücks liegt, seine mittlere Leistung, seine Repetitionsrate , seine Pulsdauer und sein Strahlprofil.

Die Strahlformungsoptik hat zur Aufgabe, eine axial und transversal definierte Intensitätsverteilung im

dielektrischen Werkstück einer bestimmten Dicke zu

erzeugen.

Bevorzugt werden Strahlformungssysteme verwendet, die statt einer perfekten punktförmigen Fokussierung im Werkstück eine in axialer Richtung ausgedehnte und in transversaler Richtung kompakte Intensitätsverteilung hervorrufen.

Dazu kann die Strahlformungsoptik der

Laserbearbeitungsvorrichtung unterschiedlich geformte optische Elemente enthalten. Möglich sind beispielsweise konkave, konvexe, plankonkave, plankonvexe Linsen oder aber auch konkave, konvexe, plankonkave, plankonvexe Linsen oder Axikons. Mit Axikons ist es insbesondere möglich aus

Laserstrahlen, deren Intensitätverteilung einem Gaußstrahl entspricht, solche Laserstrahlen zu erzeugen bzw.

anzunähern, deren Intensitätsverteilung einem Bessel-Strahl entspricht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch eine Materialbearbeitung mittels (genäherter) Bessel-

Strahlen möglich. Alternativ, und wegen i.a. geringerer Justierbedürftigkeit bevorzugt, können auch optische Systeme mit gezielter sphärischer Aberration verwendet werden. Im einfachsten Fall handelt es sich um sphärische Linsen oder Systeme daraus oder um optische Elemente mit asphärische Flächen. Des weiteren können auch difffraktive , holografische Elemente mit konstanter oder variablen

Eigenschaften verwendet werden. Ziel ist es immer, entlang einer Strecke von einigen 100 μιη bis zu einigen Millimetern eine auf der optischen Achse gleichförmige, möglichst hohe Intensität zu erzeugen, wobei deren zentrale

Halbwertsbreite möglichst wenig in axialer Richtung

variiert und eine Breite von wenigen Laser-Wellenlängen aufweist.

Darüber hinaus ist es meistens vorteilhaft, die x,y,z- Position als Funktion der Zeit auf dem Werkstück

einzustellen bzw. zu regeln. Weiterhin kann es bei

Abweichungen der Oberfläche des Werkstücks von einer ebenen Fläche oder bei gekrümmten Flächen wie Rohren günstig sein, die Richtung der einfallenden Laserstrahlung bezüglich der lokalen Flächennormalen einzustellen bzw. zu regeln.

Das Volumen der einzelnen Partikel kann umgekehrt auch in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Dielektrizitätszahlen der eingeschlossenen Phase und der umgebenden Phase sowie der gewünschten Länge der Filamente gewählt werden. Bei einem gegebenen Verhältnis der Dielektrizitätszahlen kann der Parameter der Volumengröße der einzelnen Partikel der eingeschlossenen Phase eine entscheidende Größe sein, um eine gewünschte Länge oder eine gewünschte Ausprägung der linienhaften Modifikationen in dem Werkstück zu

erhalten. Eine besonders einfache Einstellung der Länge der

Modifikationen ist über die Höhe der Pulsenergie möglich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es beispielsweise möglich, bei Werkstücken aus einem mehrphasigen Material unter Berücksichtigung der bekannten Werte der

unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen der zwei oder mehr Phasen eine gewünschte Ausdehnung oder Ausprägung der

Modifikation, insbesondere der Länge einer linienhaften Modifikationen, dadurch zu erhalten, dass die Volumengröße der einzelnen Partikel einer eingeschlossenen Phase

eingestellt bzw. variiert wird. Eine solche Einstellung oder Variation wird dabei durch entsprechende Auswahl des mehrphasigen Materials vorgenommen.

In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein optisches Element zur Umlenkung des Laserlichts und zur sukzessiven Änderung des Auftreffortes des Laserstrahls auf dem Werkstück eingesetzt. Das optische Element kann

wenigstens einen beispielsweise als Galvanometerscanner ausgeführten Drehspiegel umfassen.

Vorzugsweise wird im Falle der gewünschten Erzeugung einer linienhaften Modifikation die Relativbewegung der

fokussierten Laserstrahlung und des Werkstücks durch ein Bereitstellen eines Werkstücktisches und einer

Verschiebeeinrichtung zur Ausrichtung der Fokussier- bzw. Strahlformungsoptik auf das Werkstück zur Herstellung der linienhaften Modifikation im Werkstück und danach zur schrittweisen Relativverschiebung zwischen Optik und

Werkstücktisch gemäß der Aufreihungslinie erreicht. Das Bereitstellen eines Werkstücktisches kann allerdings auch für die Erzeugung anders gearteter Modifikation erfolgen.

Experimente im Rahmen der Erfindung haben

überraschenderweise gezeigt, dass Glaskeramiken auf den beschriebenen Prozess erheblich anders reagieren als das der jeweiligen Glaskeramik zugehörige Grünglas. Dieser Unterschied zeigt sich vor allem in Ausprägung, Ausdehnung oder Größe der entstehenden Modifikation, welche sich in der Glaskeramik als deutlich ausgeprägter, ausgedehnter bzw. größer als im Grünglas herausgestellt haben. Im Falle linienhafter Modifikationen hat sich insbesondere die Länge der entstehenden linienhaften Modifikationen vergrößert. Es wurde gefunden., dass dies auf die Mehrphasigkeit der

Glaskeramik mit ihrer auf Submikron-Skalen variierenden Zusammensetzung, in Form einer eingeschlossenen Phase, typischerweise in Form von Nanopartikeln in einer glasigen Matrix, zurückzuführen ist.

Insbesondere kann es sich bei den Phasen der. Glaskeramik um die Keime, Hochguarz-Mischkristalle und eine im.

Wesentlichen umgebende amorphe Restglasphase handeln. Diese Phasen haben unterschiedliche Dielektrizitätszahlen . Somit existieren Grenzflächen innerhalb der Glaskeramik, in denen die Dielektrizitätszahl einen Sprung macht. Wie oben beschrieben kann es bei der Wechselwirkung von

Laserstrahlung hoher Intensität mit der Materie zu lokaler Plasmabildung kommen und somit zur Entstehung der

beschriebenen Defekte. Entscheidend für die Art und Stärke der Wechselwirkung bzw. für die damit verbundene

Modifizierung des Materials ist dabei die Amplitude der elektrischen Feldstärke der Laserstrahlung, welche proportional zur rzel aus der Intensitat ist. Propagiert ein Laserpuls dur eine Glaskeramik, so wirkt das

elektromagnetisch Feld (die Welle) auf die Glaskeramik ein .

An den Grenzflächen der Phasen kommt es aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen gemäß den

Stetigkeitsbedingungen der Feldtheorie der Elektrodynamik zu Überhöhungen in der Feldstärke. Die Stärke der Überhöhung ist dabei abhängig von dem Verhältnis der beiden Dielektrizitätszahlen. Man kann also bei den Überhöhungen der Feldstärke an den Grenzflächen der Phasen von einem "Verstärkungsfaktor" sprechen. Somit ist es erstrebenswert, Phasen möglichst unterschiedlicher Dielektrizitätszahl zu haben, um mit einem hohen Verstärkungsfaktor eine

erleichterte Plasmabildung hervorzurufen.

In Experimenten wurde überraschender Weise gefunden, dass nicht nur der Unterschied zwischen den

Dielektrizitätszahlen ausschlaggebend für eine effiziente Materialmodifizierung ist, sondern auch die. Größe der einzelnen Phasen. Dabei hat sich das Zusammenwirken aus Partikelgröße und Verstärkungsfaktor als entscheidend herausgestellt.

Neben der erwähnten dreiphasigen Glaskeramik sind auch zweiphasige, vierphasige und andere mehrphasige

Glaskeramiken und mehrphasige Materialien anderer

Materialklassen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren möglich. Insbesondere kann es sich bei dem Material um Kompositwerkstoffe handeln, wie beispielsweise einen

Polymerwerkstoff mit feinverteilten Partikeln. Bei der Glaskeramik kann es sich um optische Filter, sogenannte Anlaufgläser und Glaskeramiken mit thermischer

Nullausdehnung handeln.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorbestimmung der Größe des Partikelvolumens auf der Basis der Annahme erfolgt ist, dass das Maß der Auswirkung der Grenzfläche zwischen zwei Phasen bei der Entstehung eines Plasmas - hierin als

"Grenzflächeneffekt" bezeichnet - proportional zu dem

Partikelvolumen ist. Die Vorbestimmung der Partikelvolumengröße kann ferner auf der Annahme basieren, dass die Partikel kugelartig, also im Wesentlichen kugelförmig, sind. Bei dieser Annahme kann mit anderen Worten davon ausgegangen werden, dass der Grenzflächeneffekt

proportional zu der dritten Potenz des Partikeldurchmessers ist .

Ferner kann für die Vorbestimmung der Partikelgröße die Annahme gemacht werden, dass der Grenzflächeneffekt

proportional zu dem Verhältnis der Dielektrizitätszahlen der beiden Phasen (vgl. vorher) minus eins ist. Bei dem Dielektrizitätszahlen-Verhältnis befindet sich die größere Dielektrizitätszahl, zum Beispiel die der umgebenden

Restglasphase, im Zähler und die kleinere

Dielektrizitätszahl, zum Beispiel die der Hochquarz- Mischkristalle, im Nenner. Die Plasmabildung tritt stets beim Eintritt der elektromagnetischen Welle in das Medium geringerer Dielektrizitätszahl auf.

Unter Zugrundelegung der drei oben genannten Annahmen, kann vorzugsweise als charakteristische Größe GE für den

Grenzflächeneffekt folgende Beziehung verwendet werden: (Partikelvolumen/nm ³ ) · . ( | Δε _Γ -| /ε _Γ ) > x mit x e {500, 1000, 2000} mit s _r als Dielektrizitätszahl des glasigen Mediums.

In der Beziehung ist der erste Faktor ein Maß für das

Partikelvolumen, und der zweite Faktor ein Maß für den Sprung der elektrischen Feldstärke. Im Falle gleicher

Dielektrizitätszahlen ist dieser Faktor und somit auch der Grenzflächeneffekt gleich null. Die Partikeldurchmesser- Angabe ist in Nanometern (nm) angegeben, wobei die Division durch nm ³ lediglich zur Entdimensionierung von der Größe GE dient.

In Glaskeramik kommt es aufgrund des Grenzflächeneffektes GE bereits bei geringeren Intensitäten zu einer Schädigung, also zur Ausbildung von Modifikationen. Diese können dann sogar stärker, ausgedehnter, ausgeprägter, größer oder länger ausfallen als in Grünglas. Da jedoch nicht so viel Energie pro Fläche deponiert werden kann, fallen in

Glaskeramik die Defekte nicht so ausgeprägt aus. In einem der Glaskeramik entsprechenden Grünglas hingegen ^' bedarf es größerer Intensitäten, sodass dort die Schädigung stärker ausfällt als in Glaskeramik.

Es wurde ferner herausgefunden, dass im Fall der

filamentartigen Strahlpropagation bei Grünglas in der Regel eine höhere Anzahl an Refokussierungszyklen stattfindet. Dies lässt sich mit dem oben beschriebenen

Grenzflächeneffekt erklären. Da bei Grünglas höhere

Intensitäten des Lasers nötig sind, um das Plasma zu zünden, ist der Gleichgewichtszustand, welcher über die Länge des Filaments entscheidet, instabiler und bricht schneller zusammen. Hat der Puls danach jedoch noch ausreichend Energie, so kann er refokussieren .

Es kann ferner vorgesehen sein, die gewünschte Größe oder Ausprägung der Modifikationen, insbesondere der Länge im Falle linienhafter Modifikationen, dadurch einzustellen, dass für den Fall der Verwendung des Burst-Modes die

Teilpulsanzahl pro Burst eingestellt wird. Es kann sein, dass die Teilpulse eines Bursts in Summe in Abhängigkeit von der Bauart des Lasers etwas mehr Energie in sich tragen als ein entsprechender einzelner Puls im Single-Shot-Mode . Jedoch ist typischerweise die Energie des Erstpulses eines Bursts. umso größer, je geringer die Pulsanzahl pro Burst ist. Je größer die Energie des ersten Pulses des Bursts ist, desto größer ist die mögliche Ausprägung der

Modifikationen. Mit der Anzahl der weiteren Pulse erhöht sich nur die sogenannte Defektkategorie . Die

Defektkategorie ist ein Maß für die Stärke der. Schädigung des transparenten Materials (die Ausprägung der

Modifikation) . So können folgende Defektka.tegorien

unterschieden werden: 0 = keine Modifikationen unter 100- facher Vergrößerung zu erkennen; 1 = dünner Kanal; 2 = dünner Kanal mit stellenweisen dickeren Bereichen; 3 = größere Beschädigung; 4 = Risse, Mikroexplosionen und/oder Schmelzbereich.

So benötigt man bei Grünglas im Vergleich zu Glaskeramik im Fall. der Verwendung des Burst-Modes eine höhere Pulsenergie im ersten Teilpuls, um die gleiche Größe oder Ausprägung einer Modifikation, insbesondere die gleiche Länge einer linienhaften Modifikation, zu erhalten. Durch eine

Veränderung der Teilpulsanzahl pro Burst lässt sich die Energie des ersten Pulses regulieren, wodurch sich somit die Größe oder Ausprägung der Modifikation einstellen lässt .

Es kann ferner vorgesehen werden, dass der Median der . Partikelgrößen 6 nm oder mehr, vorzugsweise 8 nm oder mehr besonders bevorzugt 10 nm oder mehr beträgt. Denn .es scheint eine kritische Partikelgröße zu geben, ab welcher der Grenzflächeneffekt besonders wirksam wird.. Unter

Berücksichtigung dieser kritischen Partikelgröße kann der genannte Median der Partikelgrößen vorteilhaft sein.

Vorzugsweise können bei der Herstellung des

Werkstückmaterials fein verteilte zusätzliche Partikel vorgesehen werden, um dadurch den Vorgang der Erzeugung de Modifikation effizienter zu gestalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das insbesondere bei aus Flachglas hergestellter Glaskeramik angewendet werden kann, ist es möglich, mit geringeren Laserleistungen höher Schnittleistungen als bei homogenen Gläsern zu erzielen, womit ein finanzieller Vorteil verbunden ist. Die aufgrund der bauartbedingten Begrenzung der Pulsenergie von

Laserquellen gegebene Obergrenze der bearbeitbaren

Materialdicke bei mehrphasigen Materialien ist größer als bei homogenen Gläsern, was bei einer Anwendung auf sehr dicke oder mehrlagige Materialien von Vorteil ist.

Bevorzugt umgeben die Bereiche der ersten Phase bei dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff die Bereiche der wenigstens einenzweiten Phase zumindest teilweise, also im Wesentlichen. Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff die Bereiche der wenigstens einen zweiten Phase von der ersten Phase

vollständig eingeschlossen. Bei dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff können Bereiche der wenigstens einen zweiten Phase voneinander beabstandet vorliegen. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Kompositwerkstoffs zeichnet sich dadurch aus, dass die Bereiche der wenigstens einen zweiten Phase im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind. Bei einer anderen

Ausführungsform, des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffs liegen die Längen der linienhaften Modifikationen zwischen 100 bis 10000 μπι, vorzugsweise zwischen 1000 bis 10000, besonders bevorzugt zwischen 3000 bis 10000 μιτι.

Ebenso kann das Verhältnis der ersten und zweiten

Dielektrizitätszahl (s _r i/s _r 2 ) größer gleich 1,05, besser größer als 1,1, bevorzugt mindestens 1,3 sein. Das

bedeutet, anders ausgedrückt, dass | s _r i-e _r 21 /ε _Γ 2 , an anderer Stelle auch bezeichnet als |Δε _Γ |/ε _Ε größer gleich 0,05, besser großer als 0,1, bevorzugt mindestens 0,3 sein kann.

Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße

Kompositwerkstoff mehr als zwei Phasen enthalten kann. Es können in einer ersten Phase mehrere zweite Phasen

unterschiedlicher Dielektrizitätszahlen enthalten sein.

Bevorzugt enthält der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff eine reihenartige Anordnung von linienhaften Modifikationen zur Ausbildung einer Trennlinie. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der dargestellten

Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen :

Fig. 1 eine Laserbearbeitungsvorrichtung während der Bearbeitung eines Werkstücks auf einem Werkstücktisch,

Fig. 2 ein aus Defekten in einer Glaskeramik gebildete linienhafte Modifikation,

Fig. 3 Längen von linienhaften Modifikationen , die zum Vergleich in Glaskeramik und zugehörigem Grünglas mit Linsen verschiedener Brennweiten der Fokussieroptik in Abhängigkeit von der Teilpulsanzahl je Burst erzeugt worden sind,

Fig. 4 schematisch zwei Verläufe der Intensitäten entlange der Mittenachse von in der Glaskeramik

fokussierten Strahlen,

Fig.. 5 Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen

linienhafter Modifikationen in einer Glaskeramik (a) und in einem Borosilikatglas (b) .

In Fig. 1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 über einem Werkstück 2, das auf einem Werkstücktisch 3 aufliegt, dargestellt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 weist einen Ultrakurzpulslaser 10 und eine Fokussieroptik 11 auf, um ein fokussiertes Strahlenbündel 12 abzugeben, dessen Fokus 13 in etwa auf der Oberseite des Werkstückes 2 gelegen ist. Auf dem Werkstück 2 ist eine Schnittlinie oder Bruchlinie 20 angedeutet, entlang welcher das Werkstück 2 aufgetrennt oder gespalten werden soll. Es ist vorgesehen, dass der Fokus 13 entlang dieser Linie 20 gefahren werden kann, was durch Verstellung des Tisches 3 in den beiden

Koordinatenrichtungen 21, 22 zu bewerkstelligen ist. Es werden sehr kleine Verstellschritte benutzt.

Die Wellenlänge der Strahlung des Ultrakurzpulslasers 10 ist so gewählt, dass sie in einem Transparenzbereich des Werkstücks 2 liegt. Der Ultrakurzpulslaser 10 wird in einem sogenannten Burstmode betrieben, in dem der eigentliche, als Burst bezeichnete Puls selber ein Pulspaket bildet, das mit einer Repetitionsrate R von etwa 100 kHz wiederkehrt. Die Energie der Laserpulse bzw. der Pulspakete (Bursts) ist so bemessen, dass sich bei jedem Burst ein als. Filament bezeichneter Schädigungskanal 14 senkrecht zu einer

Oberseite 2a des Werkstücks 2 in dessen Inneres bildet. Indem die Strahlformungsoptik 11 entlang einer vorgebbaren Bewegungslinie 20 mit verfahren wird, wird in dem Werkstück 2 eine Reihe von linienhaften Modifikationen 14 erzeugt. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 m/s weisen die Anfangspunkte der in Richtung auf die Unterseite 2b

gerichteten Schädigungskanäle 14 entlang der Bewegungslinie 20 des Ultrakurzpulslasers 10 auf der Oberseite 2a Abstände von 10 ]im auf. Die Bewegungslinie 20 des

Ultrakurzpulslasers 10 relativ zum Werkstück 2 schreibt eine Bruchfläche vor und wird daher als Bruchlinie 20 bezeichnet. Derartige mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff gebildete linienhaften Modifikationen 14 sind in Fig. 2 gezeigt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die linienhaften Modifikationen 14 aus Defekten 50, 51, 52 und 53 mit Längen von 108 μπι, 221 μπι, 357 μιη und 1037 μπι gebildet, die entlang eines

Schädigungskanals erzeugt worden bzw. angeordnet sind. Die in Fig. 2 gezeigten Defekte haben Abstände 60, 61 und 62 von 263 μιη, 195 μπι und 34 μπι. Mittelwerte aus drei Fig. 2 äquivalenten Messungen ergaben Defektlängen von 104 μπι, 237 μΐϊΐ, 350 μιη und 1020μπι mit Abständen von 290 μιτι, 209 μπι und 150 μπι.

Dieses Ausführungsbeispiel, das sich auf die Erzeugung linienhafter Modifikationen beschränkt, zeigt also, dass die Defektlängen nicht konstant sein müssen. Dies kann von großem Vorteil sein, um das Werkstück an der

Aufreihungslinie der Filamente später sauber auftrennen zu können.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dementsprechend allgemein und ohne Beschränkung auf das oben erläuterte spezielle Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass in einem transparenten Werkstück 2 befindliche entlang einer Linie 20 aufgereihte linienhaften Modifikationen 14, jeweils aus mehreren entlang eines Kanals angeordneten Defekten gebildet sind, wobei _. die Längen der Defekte mit zunehmenden Abstand von einer Oberfläche des Werkstücks zunehmen. Damit sind bei einer Zug- bzw. Biegebelastung, wie sie beim gewollten Auseinanderbrechen des Werkstücks an der Aufreihungslinie der linienhaften Modifikationen angewendet wird, kürzere Defekte nahe der Oberfläche, also dort, wo die größere Biegespannung auftritt, vorhanden. Im Volumen, zur Mitte des Werkstücks hin, ist die Zugspannung im Fall der Biegebelastung kleiner. Dafür sind die Defekte länger und das Werkstück hier in größerem Maße geschwächt. Wird also das Werkstück einer Biegebelastung ausgesetzt, wird die kritische Biegebelastung gleichmäßiger entlang der Filamentstruktur verteilt, so dass das Bruchverhalten verbessert wird.

Im Folgenden wird die Untersuchung eines korrespondierenden Paares von Glaskeramik und Grünglas beschrieben, die. im Folgenden mit Glaskeramik A bzw. Grünglas A bezeichnet werden. Das Grünglas A besitzt eine Glaszusammensetzung, die L12O (Lithiumoxid), AI2O3 (Aluminiumoxid),. SiC>2

(Siliziumdioxid) und zusammen etwa vier Gewichtsprozent T1O2 (Titandioxid) sowie ZrÜ2 (Zirkoniumdioxid) enthält. Die Transformationstemperatur dieser Zusammensetzung beträgt 670 °C.

Auf der Basis dieses Grünglases A ist die Glaskeramik A durch . Keramisierung hergestellt worden, bei der sich im glasigen Material einzelne, fein verteilte Kristalle .

bilden. Hierfür ist das Grünglas A in einem elektrisch beheizten Keramisierungsofen prozessiert worden. Der dabei erfolgende Umwandlungsprozess des Materials lässt sich in die Keimbildung und das Kristallwachstum unterteilen. Am Anfang einer jeden Kristallisation steht ein.

Kristallisationskeim, an dem der Kristall zu wachsen beginnen kann.

Bei dem Grünglas A liegen Verunreinigungen in Form des hinzugefügten Titandioxids und Zirkoniumdioxids vor, welche eine hohe Schmelztemperatur (1855 °C bzw. 2715 °C)

aufweisen, bei Erwärmung ausfallen und als

Kristallisationskeime wirken. Sie stellen beim Keramisierungsprozess heterogene Keime dar, wodurch eine hohe Keimdichte und eine kleine Kristallgröße erreicht werden. Durch Kristallwachstum wächst auf den

Kristallisationskeimen aus orthorhombisch angeordnetem ZrTi04 ein Hochguarz-Mischkristall (HQMK) . Er basiert auf dem LAS-System, das seinen Namen auf Grund der

Kristallbausteine Lithiumoxid, Aluminiumoxid und

Siliziumdioxid trägt. Quarz (Si02) wandelt sich bei 573 °C in sogenannten Hochguarz um. Durch die Einlagerung anderer Atome ist der HQMK jedoch beim Unterschreiten dieser Temperatur stabil.

Für die Untersuchungen wurde ein Ultrakurzpulslaser verwendet, wobei eine Wellenlänge von 1064 nm, eine mittlere Leistung von 12 W (bei 1064 nm, 100 kHz, 1 Puls pro Burst) , eine Repetitionsrate von 100 kHz, eine Burst- Frequenz von 50 MHz eine Pulsdauer von ungefähr 10 ps (bei 1064 nm und 100 kHz) und als Strahlprofil ein Gaußstrahl verwendet wurden.

Die durch einen Laserpuls eingebr chte und absorbierte Energie führt in der Glaskeramik A aufgrund der im

Vergleich zu Grünglas geringeren Wärmekapazität zu einer stärkeren Erwärmung, wobei die entstehende Wärme auch effizienter als im Grünglas A abgeleitet wird. In sehr kurzen Zeitregimen im Nanosekundenbereich ist jedoch damit zu rechnen, dass noch keine signifikante Wärmeabfuhr stattfinden kann, weshalb die Annahme einer, höheren

Temperatur in der Glaskeramik A gegenüber dem Grünglas A gerechtfertigt ist. Beim Burst-Mode trifft der zweite Puls des Bursts somit auf einen bereits vorgewärmten Bereich. Die Burst-Frequenz von 50 MHz hat zur Folge, dass zwischen den einzelnen Pulsen lediglich 20 ns Zeit liegt, was der im vorigen Absatz erwähnten Bedingung genügt. Die Auswirkungen des Burst-Mode bei der USP-Laserblast-Technologie sind zwar noch nicht abschließend geklärt, jedoch liegt eine stärkere Vermutung auf eben der Wärmedeposition, die das Verhalten der

weiteren Pulse beeinflusst. Die erzeugten Defekte bilden sich mit steigender Pulsanzahl a effizienter aus.

Es wurde deshalb eine Versuchsreihe durchgeführt, bei der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung linienhafte Modifikationen eingefügt wurden und beide

Materialien mit jeweils unterschiedlichen Anzahlen a von Pulsen pro Burst bearbeitet wurden. Um eine breitere

Datenvielfalt zu erhalten, sind vier Linsen unter ^¬ schiedlicher Brennweite verwendet, worden. Nach der oben ausgeführten Theorie müsste das Verhältnis der Gesamtlängen der Defekte bzw. linienhaften Modifikationen der

Glaskeramik A zur entsprechenden Gesamtlänge im Grünglas A mit steigender Teilpulsanzahl pro Burst anwachsen, da der Effekt der Wärmedeposition mit steigender Teilpulsanzahl stärker zum Tragen kommt.

Es ist jedoch auf die Energieverteilung auf die einzelnen Teilpulse des Bursts zu achten. Bei lediglich einem

Teilpuls liegen die Pulsenergie bei 120 und die

Pulsspitzenleistung bei 12 MW. Beim zweipulsigen Burst-Mode hingegen hat der erste Puls etwa 77 μ und der zweite 56 μϋ ^" . Es kann bei hohen Pulsanzahlen demnach dazu kommen, dass die Pulsenergien und damit auch die Pulsspitzenleistungen und Intensitäten zu gering sind, um im Material eine Modifikation hervorzurufen.

Die Repetitionsrate, die Vorschubgeschwindigkeit in y- Richtung (1 m/s) und das Leistungsniveau (100 %) wurden während der Versuchsreihe konstant gehalten. Fig. 3 zeigt die Ergebnisse.

Lediglich bei zwei Konstellationen kam es zu keiner

Beschädigung des Materials: Grünglas A, 10 mm Brennweite und vier bzw. acht Pulse je Burst. Hier hat die Pulsenergie des ersten Teilpulses des Bursts: nicht ausgereicht, um eine Modifikation des. Materials zu erzeugen. Bei anderen Optiken war dieses Ausbleiben nicht der Fall, da deren erzeugte Strahlform vermutlich günstiger ist.

Aus den Ergebnissen wird eine starke Abhängigkeit der

Gesamtlänge von der Teilpulsanzahl a deutlich. Mit einer Ausnahme (Grünglas A, Brennweite gleich 80 mm und a gleich zwei) nimmt die Gesamtlänge mit steigender Teilpulsanzahl ab, dies zeigt Fig. 2, in der zur Verdeutlichung der monoton fallenden Eigenschaft der Messdaten die Messpunkte verbunden wurden. Vermutlich liegt dies an der geringen Pulsenergie des ersten Pulses des zur. Verfügung stehenden Lasers, welche für steigende Teilpulsanzahlen a abnimmt. Die Annahme, dass die Energie des ersten Pulses für die Länge zuständig ist und die weiteren Teilpulse nur die Art der Beschädigung verstärken, ist somit zumindest im ersten Punkt bestätigt worden.

Im Folgenden wird des weiteren die Untersuchung eines

Materials beschrieben, das zur Herstellung optischer Filter verwendet wird. Es handelt sich hierbei um das Material RG610, wobei dieses als Grünglas (im Folgenden als Grünglas RG610 bezeichnet) und auch als durch thermische Behandlung des Grünglases hergestellte sog. Anlaufglas mit mindestens 2 verschiedenen glasigen , bzw . glasig-kristallinen Phasen untersucht wurde.

Im Zustand des Anlaufglases, das zwei Phasen aufweist, beträgt der Brechungsindex 1,52. Das gelbe Grünglas RG610 färbt sich durch die Wärmebehandlung, womit das Anlaufglas RG610 später tiefrot erscheint. Der Grund hierfür sind die entstandenen Mischphasen (amorph oder kristall) , die

Cadmium, Schwefel, Selen und Zink enthalten. Da für diese Mischphasen kein Brechungsindex vorliegt, ist dieser aus den Brechungsindizes bei der D-Linie von 588 nm für

artverwandte Kristalle gebildet worden: Zinkselenid,

Zinksulfid, Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid. Es ergibt sich somit ein Brechungsindex des Kristalls von 2,53. Da die kristalline Phase nur einen geringen Volumenanteil (ca. 12 %) aufweist, kann der Brechungsindex der Restglasphase mit dem des Grünglases RG610 von 1,52 genähert werden. Es ergibt sich somit ein Verhältnis der Dielektrizitätszahlen (Verhältnis der Brechungsindizes zum Quadrat) von 2,770. Die Größe der Kristalle (Durchmesser) beträgt etwa 12 nm.

Bei der Anwendung des Ultrakurzpuls-Laser Technologie auf RG610 konnte die Diskrepanz zwischen Grünglas und

Glaskeramik deutlich gezeigt werden: Die Defekte in der Glaskeramik RG610 sind mehr als doppelt so lang als bei dem Grünglas RG610 und erreichen bis zu 5 mm Länge in 6, 6 mm dickem Glas. Tabelle 1:

Tabelle 1 zeigt die mit Hilfe der obigen Formel berechneten Faktoren des Grenzflächeneffekts GE für RG610 (als

Anlaufglas) und Glaskeramik A (Grenzfläche Restglasphase und Hochquarz-Mischkristall) sowie vorgekeimtes Material A (Grenzfläche Restglasphase und Keim) .

Der berechnete Wert ist für die Glaskeramik A zwar mehr als doppelt so groß wie der Wert für das Anlaufglas RG610 A, dennoch befinden sich beide in der gleichen Größenordnung. Anders ist dies beim Wert für das vorgekeimte Material A.

Bei Grünglas und Glaskeramik A handelt es sich um ein

Lithium-Aluminosilikatglas mit der Zusammensetzung:

60 - - 73, 0 Gew . - Si0 ₂ ,

15 - - 25, 0 Gew . - AI2O3,

2,2 - 5, 0 Gew . - Li ₂ 0,

0 - 5,0 Gew . - CaO + SrO + BaO,

0 - 5,0 Gew . - T1O2,

0 - 5,0 Gew . - Zr0 ₂ ,

0 - 4,0 Gew . - ZnO

0 - 3,0 Gew . - Sb ₂ 0 ₃ , 0 -- 3,0 Gew . - o

— o MgO,

0 - - 3,0 Gew . - 0,

o Sn0 ₂ .

0 - - 9,0 Gew . - o

^" ~ o P2O5,

0 - - 1,5 Gew . ^■ o

- o AS2O3,

0 - - 1,2 Gew . - o

o Na ₂ 0 + >0, wobei die jeweiligen

Anteile innerhalb der nachfolgend

angegebenen Bereiche liegen,

0 - - 1,0 Gew . ^■ 0.

0 Na ₂ 0,

0 - - 0,5 Gew . ^■ 0,

0 K2O sowie

0 - - 1,0 Gew . ^■ 0.

0 färbende Oxide

Vorstehend ist für zwei Linsen dargelegt worden, dass mit einer Parameteranpassung in der Glaskeramik A die gleiche Filamentstrukturlänge erzielt werden kann wie im Grünglas A. Dabei kann auch die gleiche Defektkategorie wie im Grünglas A erreicht werden. Demgemäß ist die Energie des ersten Teilpulses des Bursts entscheidend für die

Defektlänge, wohingegen gefunden wurde, dass die weiteren Pulse nur die Defektkategorie erhöhen. Bei gleichen

Parametern sind die Defekte in der Glaskeramik A zwar länger als im Grünglas A, jedoch ist deren Defektkategorie nicht so hoch. Mit einer erhöhten Anzahl der Teilpulse je Burst werden die Defekte kürzer und die Defektkategorie größer. Es wurde festgestellt, dass mit acht Teilpulsen in der Glaskeramik A die gleichen Ergebnisse wie mit zwei Teilpulsen im Grünglas A erreichbar sind.

Aufgrund des Grenzflächeneffektes GE in der Glaskeramik A kommt es bereits bei geringeren Intensitäten zu einer Schädigung, weshalb diese länger ausfallen als in Grünglas A. Da jedoch nicht so viel Energie pro Fläche deponiert werden kann, fallen die Defekte nicht so ausgeprägt aus. Im Grünglas A hingegen bedarf es größerer Intensitäten, weshalb die Schädigung hier stärker ausfällt. Mit der erwähnten Erhöhung der Teilpulszahlen je Burst lässt sich dies ausgleichen.

Auch die bei Grünglas in der Regel höhere Anzahl an

Refokussierungszyklen lässt sich mit diesem Modell

erklären. Da bei Grünglas höhere Intensitäten des Lasers nötig sind, um das Plasma zu zünden, ist der

Gleichgewichtszustand, welcher über die Defektlänge

entscheidet, instabiler und bricht schneller zusammen. Hat der Puls danach jedoch noch ausreichend Energie, so kann er refokussieren .

Für die Erzeugung der Materialmodifikation wird ein

Schwellwert der Leistung erreicht oder überschritten.

Dieser Schwellwert liegt für Glaskeramik durch den

beschriebenen Effekt der Feldstärkeüberhöhung regelmäßig deutlich unter dem Wert für das entsprechende Rohglas (s Tabelle, alle Werte in W/m ² ) :

Bei nicht optisch optimierten Aufbauten, z.B. bei einer Fokussierung der Laserstrahlung mittels einer mit

sphärischer Aberation behafteten Linse liegt am (in

Strahlrichtung gesehen) hinteren Ende des

Fokussierungsbereichs im Material eine deutlich höhere Intensität und Leistung vor als in der Nähe der Abbildungsoptik, so dass die Schwellwerte im Wesentlichen nur in der Nähe des Intensitätspeaks überschritten werden. Bei angepaßter Optik wird die gleiche Pulsenergie (gleiche Flächen unter den Kurven) aber im Fokusbereich homogener verteilt, und zwar idealerweise möglichst homogen oberhalb des Glaskeramik-Schwellwertes, so dass in Folge des oben beschriebenen Feldstärkeverstärkungseffektes die

Materialmodifikation über einen deutlich längeren Bereich als in Glas erzeugt werden kann.

Dieser Effekt wird im Folgenden anhand von Fig. 4

verdeutlicht .

Fig. 4 zeigt schematisch zwei Verläufe Ji, J2 der Leistung pro Volumen entlang der Mittenachse der

Ausbreitungsrichtung von in der Glaskeramik fokussierten Laserstrahlen. Die Werte x entlang der Abszisse

kennzeichnen den Abstand zur Linse. Die gewünschten

linienhaften Modifikationen werden oberhalb bestimmter Schwellwerte der Leistung pro Volumen erzeugt. In Fig. 4 sind ein Schwellwert (P/V) min, Glas fÜr die Erzeugung der Modifikation in Glas und ein demgegenüber niedriger .

Schwellwert (P/V) _m in, Glaskeramik für die Erzeugung

entsprechender Modifikationen in Glaskeramik eingezeichnet.

Der Intensitätsverlauf Ji ergibt sich beispielsweise durch eine Fokussierung mittels einer mit sphärischer Abberation behafteten Linse.

Der Intensitätsverlauf J2 ist ein optimierter Verlauf, wie er etwa mittels eines Axikons erzielt werden kann. Mit der Fokussierung wird ein langgestrecktes Intensitätsmaximum erreicht. Bei gleicher Pulsenergie ist die

Spitzenintensität dann entsprechend geringer als bei

Intensitätsverlauf Ji. Die Länge der erzeugten linienhaften Modifikationen hängt nun von der Länge des Bereichs ab, in welchem die

Pulsleistung pro Volumen den jeweiligen Schwellwert

überschreitet. Der Intensitätsverlauf Ji ermöglicht in Glas noch eine linienhafte Modifikation der Länge L _G ias . Mit dem Intensitätsverlauf J2 kann hingegen keine Modifikation mehr erreicht werden, denn der Schwellwert (P/V) _m i _n , _Glas wird mit der vergleichsweise niedrigeren Maximalintensität nicht mehr überschritten. In Glaskeramik ist dies hingegen mit dem geringeren Schwellwert (P/V) _m i _n , Glaskeramik nicht nur möglich, auch ist die erzielbare Länge LGiaskeramik größer. Durch den in Strahlrichtung langgezogenen Bereich des

Fokus, in welchem der Schwellwert überschritten wird, ergibt sich eine entsprechend langgestreckte linienhafte Modifikation. Demnach kann die Länge der linienhaften

Modifikation durch eine entlang des Linienfokus möglichst homogene Verteilung der Laserpulsenergie und Leistung je Volumeneinheit oberhalb der Mindestenergie und

Mindestleistung je Volumeneinheit maximiert werden.

Um eine möglichst große Länge der Modifikation zu erzielen, kann also abhängig vom Material des Werkstücks 2 bei gegebener Pulsenergie eine Optik zur Fokussierung des

Laserstrahls gewählt werden, die bei verringerter

Maximalintensität einen gegenüber einer sphärischen Linse langgestreckten Fokus erzeugt, wobei der Schwellwert zur Erzeugung der Modifikation des Materials nicht

unterschritten wird. Mit anderen Worten wird also eine Optik zur Fokussierung der Laserstrahlung verwendet, welche den Fokus in Ausbreitungsrichtung räumlich so verlängert, dass die Maximalintensität der Laserstrahlung kleiner ist, als 150 %, vorzugsweise kleiner ist als 130 % des

Schwellwertes der Intensität, ab welchem das Material modifiziert wird.

Eine günstige Intensitätsverteilung wird insbesondere erreicht, wenn der Strahl mittels der Optik so fokussiert wird, dass das Verhältnis des Längenbereichs, entlang welchem die Intensität mindestens 110% des Schwellwerts der Modifikation ist, zum Längenbereich, entlang welchem die Intensität mindestens 10% des Schwellwerts ist, mindestens 0,4, vorzugsweise mindestens 0,5, besonders bevorzugt mindestens 0,7 beträgt. Auf diese Weise wird eine besonders günstige Verteilung der Intensität derart erzielt, dass ein sehr langgezogener Bereich im Material mit Intensitäten oberhalb des Schwellwerts bestrahlt wird.

Anhand von Fig. 4 wird auch deutlich, dass sich die Länge der Modifikation auch durch die Pulsleistung in einfacher Weise einstellen lässt. Mit steigender Leistung verlängert sich der Längenabschnitt, entlang welchem der Schwellwert zur Erzeugung der Modifikation überschritten wird. Fig. 5a zeigt eine REM-Aufnahme mehrerer (in der Figur von links nach rechts) nebeneinander angeordneter (und in der Figur von oben nach unten erstreckender) linienhafter

Modifikationen 14, welche mit dem erfindungsgemäßen

Verfahren bzw. in dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff gebildet sind. Die neun sichtbaren linienhaften Modifikationen 14 weisen einen Abstand von jeweils etwa 7 Mikrometer zueinander auf und wurden mit Laserpulsen in Form von Bursts und einer Bikonvexlinse (16mm) erzeugt, wobei folgende

Prozessparameter verwendet wurden: 6 Burst,

Burstfrequenzen : 50 MHz, Burst-Gesamtenergie : etwa 500 μ , Burstform abnehmend, Pulsenergie des ersten Pulses etwa 170 μϋ ^~ , 12mm Rohrstrahl 1/e ² , Wellenlänge: 1064 nm.

In der Fig. 5a ist zu erkennen, dass die linienhaften Modifikationen wesentlich breiter sind als z.B. in einem Borosilikatglas, welches zum Vergleich in Fig. 5b gezeigt ist und welches filamentartige Kanäle mit Durchmessern im Submikrometerbereich aufweist.

Eine linienhafte Modifikation oder ein Defekt einer linienhaften Modifikation kann demnach eine Breite, insbesondere eine mittlere Breite 70 aufweisen, die größer ist als Ιμπι, vorzugsweise größer ist als 2μπι. Unter Breite ist dabei eine Ausdehnung senkrecht zur Erstreckung der linienhaften Modifikation zu verstehen.

Eine solche verhältnismäßig breite- linienhafte Modifikation oder ein Defekt einer linienhaften Modifikation kann insbesondere als eine Schmelzzone ausgebildet sein. Es kann demnach um den Einwirkbereich des Lasers Material des Kompositwerkstoffs schmelzen und z.B. eine Phasenumwandlung erfahren .

Neben der verhältnismäßig breiten Einflusszonen ist der REM-Aufnähme der Fig. 5a auch zu entnehmen, dass die linienhaften Modifikationen entlang der ihrer Erstreckungsrichtung (entlang der Laserstrahlachse) bereichsweise von Blasenbildung begleitet sind. Bei den Blasen kann es sich insbesondere um .Hohlräume (Voids) handeln, z.B. an den Phasengrenzen durch die bereits vorstehend beschriebene Feldstärkeüberhöhung. Es kann auch vorkommen, dass sich entlang der linienhaften

Modifikationen ein zusätzlicher Filamentkanal ausbildet.

Eine linienhafte Modifikation kann demnach zumindest teilweise offene Bereiche 80, insbesondere porenförmige oder blasenförmige Bereiche aufweisen.