Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlformungselement zum Ausbilden von in Propaga tionsrichtung beugungsfreien Intensitätszonen. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserbear beitungsanlage mit einem Strahlformungselement.

Bei der transparenten Laserbearbeitung werden mit Laserstrahlung Modifikationen in einem Material, das im Wesentlichen transparent für die Laserstrahlung ist und hierin als transparen tes Material bezeichnet wird, erzeugt. Eine im Volumen des Materials eintretende Absorption (kurz Volumenabsorption) der Laserstrahlung kann bei transparenten Materialen beispielswei se zum Bohren, zum Trennen durch induzierte Spannungen, zum Schweißen, 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.

In diesen Einsatzfeldern kann es wichtig sein, sowohl eine Geometrie als auch die Art der Modifikation im Material geeignet kontrollieren zu können. Neben Parametern wie Laserwel lenlänge, zeitliche Pulsform, Anzahl der Pulse, und Pulsenergie kann dabei die Strahlform relevant sein.

So werden z.B. ultrakurzpul slaser-basierte Glasmodifikationsprozesse zum Trennen von Glas häufig mit langgezogenen Fokusverteilungen durchgeführt, wie sie z.B. bei Bessel-ähnlichen Strahlprofilen gegeben sind. Diese können längliche Modifikationen im Material ausbilden, die sich im Inneren des Materials in Propagationsrichtung der Laserstrahlung erstrecken.

Strahlformungselemente und Optik-Aufbauten, mit denen in Strahlausbreitungsrichtung lang gezogene, schlanke Strahlprofile mit hohem Aspektverhältnis für die Laserbearbeitung bereit gestellt werden können, werden z.B. in der genannten WO 2016/079062 Al beschrieben. Bei spielsweise offenbart WO 2016/079062 A die Ausbildung von Strahlprofilen, die sich entlang der Ausbreitungsrichtung ändern und eine Periodizität, z.B. ein periodisches Intensitätsprofil entlang der Z-Achse, aufweisen können. Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein diffraktives optisches Strahlformungselement anzugeben, das eine Strahlformung für eine maßgeschneiderte Volu menabsorption ermöglicht. Insbesondere liegt der Offenbarung die Aufgabe zugrunde, für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe (d.h. für die Laserstrahlung transparenter Materialien) ein Strahlformungselement bereitzustellen, welches in Strahlausbreitungsrichtung langgezo gene, schlanke Strahlprofile mit hohem Aspektverhältnis für die Laserbearbeitungsanwendun gen bereitstellen kann.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Strahlformungselement nach Anspruch 1 und durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 10. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einem Aspekt umfass ein diffraktives optisches Strahlformungselement zum Aufprägen einer Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Laserstrahls aneinander angren zenden Flächenelementen, die eine flächige Gitterstruktur aufbauen. In der Gitterstruktur ist jedem Flächenelement ein Phasenschiebungswert zugeordnet und die Phasenschiebungswerte definieren eine zweidimensionale Phasenverteilung. Die zweidimensionale Phasenverteilung weist eine Strahlmittenposition auf, die eine radiale Richtung in der flächigen Gitterstruktur definieren. Die Flächenelemente sind einer Mehrzahl von Winkel Segmenten zugeordnet. Jedes Winkelsegment weist eine azimutale Segmentbreite bezüglich der Strahlmittenposition auf. Die Phasenschiebungswerte in den Winkel Segmenten bilden jeweils bezüglich der Strahlmit tenposition radialsymmetrische Phasenverläufe aus. Die radialsymmetrischen Phasenverläufe bilden in radialer Richtung Gitterfunktionen aus, die eine gleiche Gitterperiode aufweisen. Zu jeder der Gitterfunktionen ist eine Segmentgitterphase, insbesondere bezüglich der Strahlmit tenposition, zugeordnet. Die azimutalen Segmentbreiten von mindestens zwei benachbarten Winkel Segmenten unterscheiden sich. Alternativ oder zusätzlich weisen die Segmentgitterpha sen von mindestens zwei benachbarten Winkel Segmenten einen Segmentgitterphasenunter schied zwischen 0 und2 auf.

In einem weiteren Aspekt ist eine Laserbearbeitungsanlage für die Bearbeitung eines Materi als mit einem Laserstrahl durch Modifizieren des Materials in einer Fokuszone, die in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist, offenbart. Die Laserbear beitungsanlage umfasst eine Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl ausgibt, ein optisches System, das ein wie hierin offenbartes diffraktives optisches Strahlformungselement und ein strahlformendes und strahlführendes Modul mit einer Fokussierlinse aufweist. Das diffraktive optische Strahlformungselement ist im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, um dem Laserstrahl eine zweidimensionale Phasenverteilung aufzuprägen, und die zweidimensionale Phasenverteilung bewirkt eine Ausbildung der langgezogenen Fokuszone im Material durch Fokussieren des Laserstrahls mit der Fokussierlinse.

In einigen Ausführungsformen kann die Phasenverteilung bezüglich der Strahlmittenposition punktsymmetrisch ausgebildet sein. Ferner können mindestens zwei Winkel Segmente bezüg lich der Strahlmittenposition identische radialsymmetrische Phasenverläufe ausbilden, wobei sich die Winkel Segmente insbesondere bezüglich der Strahlmittenposition gegenüberliegen können.

In einigen Ausführungsformen können die Gitterfunktionen jeweils einen Anteil eines Säge zahngitterphasenverlaufs aufweisen, wobei eine Steigung eines Anstiegsbereichs in jedem der Sägezahngitterphasenverläufe einem vorbestimmten Axicon-Winkel entsprechen kann, der dem diffraktiven optischen Strahlformungselement zugeordnet ist. Der vorbestimmte Axicon- Winkel kann im Bereich von 0,5° bis 40° für eine Erzeugung eines realen Bessel-Strahl- Zwischenfokus mit dem Laserstrahl strahlabwärts des diffraktiven optischen Strahlformungs elements oder im Bereich von -0,5° bis -40° für ein Zugrundelegen eines virtuellen Bessel- Strahl -Zwischenfokus strahl aufwärts des diffraktiven optischen Strahlformungselements lie gen.

Die azimutalen Segmentbreiten des diffraktiven optischen Strahlformungselements können in einigen Ausführungsformen im Bereich von 2p/300 bis p liegen. Optional kann jedes der Mehrzahl von Winkel Segmenten eine gleiche vorbestimmte Segmentbreite aufweist.

In einigen Ausführungsformen kann die zweidimensionale Phasenverteilung durch eine oder mehrere Symmetrieachsen gekennzeichnet sein.

In einigen Ausführungsformen kann die die Gitterperiode in radialer Richtung konstant aus gebildet sein.

In einigen Ausführungsformen kann die Gitterperiode in radialer Richtung einen asphärischen, bevorzugt quadratischen und besonders bevorzugt einen linearen Verlauf, aufweisen. Alterna- tiv oder zusätzlich kann in die zweidimensionale Phasenverteilung eine Kollimationsphasen verteilung integriert sein, die über die Mehrzahl von Winkelsegmenten bezüglich der Strahl mittenposition radialsymmetrisch ausgebildet ist.

In einigen Ausführungsformen der Laserbearbeitungsanlage kann eine Strahlmittenposition des diffraktiven optischen Strahlformungselements auf eine Strahlmitte eines transversalen Strahlprofils des Laserstrahls ausgerichtet sein.

Ferner kann die Laserbearbeitungsanlage eine Werkstückhalterung umfassen, wobei eine rela tive Positionierbarkeit des strahlformenden und strahlführenden Moduls und eines von der Werkstückhalterung bereitgestellten Werkstücks als zu bearbeitendes Material vorgesehen ist.

Die hierin beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere (dreidimensionale) Strahlprofile, die beugungsfrei (nicht beugend) in Ausbreitungsrichtung ausgebildet werden. Da keine we sentliche Änderung der Intensität im Strahlprofil entlang der Ausbreitungsrichtung vorliegt, können in Ausbreitungsrichtung durchgehend ausgebildete Modifikationen im Material er zeugt werden.

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 Figu ren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1A eine schematische Skizze eines Lasersystems mit einem strahlformenden

Element zur Bearbeitung eines Materials mit einer z.B. länglich ausgebilde ten Fokuszone,

Fig. 1B eine schematische Skizze zur Verdeutlichung der Aufprägung einer Axicon- Phase und einer Bessel-Fokuszone,

Fig. 2A eine schematische Darstellung einer flächigen Phasenverteilung eines strahl formenden Elements, das mehrere Segmente aufweist,

Fig. 2B eine schematische vergleichende Darstellung zweier radialer Phasenverläufe von Segmenten des strahlformenden Elements aus Fig. 2A,

Fig. 2C eine Darstellung eines radialen Phasenverlaufs mit in radialer Richtung zu nehmender Gitterperiode, Fig. 3A und 3B Abbildungen zur Verdeutlichung einer flächigen Phasenverteilung eines ersten Beispiels eines segmentierten strahlformenden Elements,

Fig. 3C und 3D berechnete Intensitätsverteilungen im Raum, wie sie mit einer Phasenvertei lung der Fig. 3 A in einem Material erzeugt werden können,

Fig. 4A und 4B Abbildungen zur Verdeutlichung einer flächigen Phasenverteilung eines zweiten Beispiels eines segmentierten strahlformenden Elements und

Fig. 4C und 4D berechnete Intensitätsverteilungen im Raum, wie sie mit einer Phasenvertei lung der Fig. 4A in einem Material erzeugt werden können.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass das eingangs ange sprochene entlang der Z-Achse periodisch ausgebildete Intensitätsprofil, wie es durch Beu gung des Strahls in Ausbreitungsrichtung entsteht, die Ausbildung von Modifikationen bei der Laserbearbeitung beeinflussen kann. Beispielsweise können Material Schwächungen, wie sie sich bei derartigen Intensitätsprofilen ergeben können, in Ausbreitungsrichtung zu weit vonei nander getrennt liegen, so dass die Qualität eines Trennergebnisses beeinflusst werden kann.

Entsprechend streben die hierin offenbarten Konzepte eine Erzeugung von in Ausbreitungs richtung (d.h. longitudinalen) beugungsfreien Strahlprofilen an. Die Erfinder haben hierzu erkannt, dass mit einem strahlformenden Element spezifische Phasenverläufe in mehreren (Azimutal-) Winkel Segmenten aufgeprägt werden können. Dabei sind die segmentspezifischen Phasenverläufe so ausgelegt, dass sie zusammen ein Strahlprofil erzeugen, das in Ausbrei tungsrichtung im Wesentlichen beugungsfrei ist. Eine beugungsfreie Ausbildung kann erreicht werden, wenn in den Winkelsegmenten Phasenverläufe aufgeprägt werden, die in radialer Richtung die gleiche Gittercharakteristik (beispielsweise eine konstante/sich radial gleich än dernde „gleiche“ Gitterperiode) aufweisen und sich im radialen Phasenverlauf in ihrer „Abso lutphase“, hierin als Segmentgitterphase 0j bezeichnet, um einen Segmentgitterphasenunter schied (A0j in Fig. 2B), unterscheiden. Hierbei bezieht sich die Bedingung der „gleichen Git terperiode“ auf die Phasenanteile zur Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone, wie sie jeweils in einem Segment auf den Eingangsstrahl gelegt werden. Die Gitterperiode kann dabei auch in radialer Richtung variieren, z.B. bei Überlagerung einer Linse, wodurch sich die Git terperiode in radialer Richtung asphärisch, linear oder quadratisch ändern kann.

Die Erfinder haben ferner erkannt, dass für die Formgebung eines dreidimensionalen Strahl profils azimutale Breiten der Segmente und azimutale Positionen der Segmente variiert wer- den können, ohne dass das Merkmal einer in Ausbreitungsrichtung beugungsfreien Ausbild- barkeit eines Strahlprofils (einer Fokusverteilung) verloren geht.

Dabei ist die azimutale Breite eines Segments (hierin auch als Segmentbreite bezeichnet) der Bereich des Azimutal winkeis, der einem Segment zugeordnet wird. Die Segmentbreite liegt beispielsweise im Bereich von 2p/200 bis p. Jedem räumlich definierten Segment ist eine Segmentgitterphase 0j zugeordnet. Ferner können Symmetrieanforderungen wie eine Punkt symmetrie zu einem Zentrum der Phasenmaske oder wie eine oder mehrere Symmetrieachsen an die Phasenverteilung gestellt werden, sodass sich Segmente in ihrer Phasenverteilung ent sprechen. Beispielsweise können gegenüberliegende Segmente bei Punktsymmetrie gleiche Phasenverteilungen aufweisen. Im Beispiel der Fig. 4B lag bei einer Untergliederung in 200 Segmente aufgrund der Symmetrie die Anzahl der zu bestimmenden Segmentgitterphasen 0j bei 50.

Eine Position eines Segments (hierin auch als Segmentposition bezeichnet) kann beispielswei se durch einen Zentralwinkel des jeweiligen Segments angegeben werden.

Die Verwendung und beispielhafte Ausbildungsformen von strahlformenden Elementen wird nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4D beschrieben.

Fig.l zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 für die Bearbeitung eines Materials 3 mit einem Laserstrahl 5. Die Bearbeitung bewirkt ein Modifizieren des Ma terials 3 in einer Fokuszone 7. Wie in Fig. 1 A angedeutet kann die Fokuszone 7 allgemein in einer Ausbreitungsrichtung 9 des Laserstrahls 5 langgezogen ausgebildet werden. Beispiels weise ist die Fokuszone 7 eine Fokuszone eines Bessel-Strahls oder eines inversen Bessel- Strahls, wie sie sich in einem im Wesentlichen transparenten Material ausbilden kann.

Die Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst eine Laserstrahl quelle 11, die den Laserstrahl 5 er zeugt und ausgibt. Der Laserstrahl 5 ist beispielsweise gepulste Laserstrahlung. Laserpulse weisen z.B. Pulsenergien auf, die zu Pulsspitzenintensitäten führen, die eine Volumenabsorp tion im Material 3 und damit eine Ausbildung der Modifikation in einer gewünschten Geomet rie bewirken. Zur Strahlformung und Führung umfasst die Laserbearbeitungsanlage 1 ferner ein optisches System 13. Das optische System 13, auch Bearbeitungskopf genannt, umfasst ein diffraktives optisches Strahlformungselement 15 und ein strahlformendes und strahlführendes Modul 17 mit einer Fokussierlinse 17A.

In Fig. 1 A nicht gezeigt sind weitere strahlführende Komponenten des optischen Systems 13 wie zum Beispiel Spiegel, Linsen, Teleskopanordnungen, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung der verschiedenen Komponenten.

Schließlich umfasst die Laserbearbeitungsanlage 1 eine schematisch angedeutete Werkstück halterung 19 zum Lagern eines Werkstücks. In Fig. 1 A ist das Werkstück das zu bearbeitende Material 3. Es kann beispielsweise eine Glasscheibe oder eine für die eingesetzte Laserwellen länge weitgehend transparente Scheibe in keramischer oder kristalliner Ausführung (bei spielsweise aus Saphir oder Silizium) sein. Für die Bearbeitung des Materials 3 erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem optischen System 13 und dem Material 3, sodass die Fokus zone 7 an verschiedenen Positionen entlang einer vorbestimmten Trajektorie ausgebildet wer den kann. Für ein Trennen des Materials 3 in zwei Teile bestimmt die Trajektorie dann den Verlauf einer Trennlinie.

Allgemein wird der Laserstrahl 5 durch Strahlparameter wie Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Ausbildung von Pulsgruppen, Strahldurchmesser, transversales Strahlpro- fil/Eingangsintensitätsprofil, transversales Eingangsphasenprofil, Eingangsdivergenz und/oder Polarisation bestimmt.

Gemäß Fig. 1 A wird der Laserstrahl 5 dem optischen System 13 zur Strahlformung, d.h. zum Umwandeln eines oder mehrerer der Strahlparameter, zugeführt. Üblicherweise wird für die Lasermaterialbearbeitung der Laserstrahl 5 angenähert ein kollimierter Gaußscher Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil sein, der von der Laserstrahl quelle 11, bei spielsweise einem Ultrakurzpuls-Hochleistungslasersystem, erzeugt wird. Hinsichtlich der einsetzbaren Laserstrahlung wird beispielhaft auf die in den eingangs genannten Anmeldun gen der Anmelderin beschriebenen Lasersysteme und Parameter verwiesen.

Dem optischen System 13 wird üblicherweise eine optische Achse 21 zugeordnet, die bevor zugt durch einen Symmetriepunkt des Strahlformungselements 15 (z.B. durch eine Strahlmit- tenposition 23 des diffraktiven optischen Strahlformungselements 15, siehe Fig. 2A) verläuft. Bei einem rotationssymmetrischen Laserstrahl 5 kann eine Strahlmitte eines transversalen Strahlprofils des Laserstrahls 5 entlang der optischen Achse 21 des optischen Systems 13 auf die Strahlmittenposition 23 einfallen.

Das Strahlformungselement 15 ist ein räumlicher Lichtmodulator Es kann beispielsweise als ein fest eingeschriebenes diffraktives optisches Element ausgeführt sein. Ferner kann das Strahlformungselement 15 elektronisch durch ein zeitabhängiges Einstellen eines program mierbaren diffraktiven optischen Elements umgesetzt werden (Flüssigkristalldisplay (SLM spatial light modulator)). Üblicherweise sind derartige Strahlformungselemente digitalisierte Strahlformungselemente, die zum Aufprägen eines Phasenverlaufs auf ein transversales Strahlprofil eines Laserstrahls ausgelegt sind. Die Digitalisierung kann dabei die Verwendung von diskreten Werten für die Phasenschiebung und/oder die transversale Gitterstruktur betref fen.

Allgemein kann ein einstellbares diffraktives optisches Strahlformungselement sehr feine Pha senänderungen bei einer lateral gröberen Auflösung erlauben, im Unterschied zu beispielswei se einem lithographisch hergestellten, fest eingeschriebenen diffraktiven optischen Element. Ein fest eingeschriebenes diffraktives optisches Element kann z.B. planparallele Stufen auf weisen, wobei eine Materialdicke im Bereich einer Stufe das Ausmaß einer Phasenschiebung bestimmt. Die lithographische Herstellung der planparallelen Stufen kann eine hohe laterale Auflösung ermöglichen.

Je nach Ausführung eines Strahlformungselements kann es in Transmission oder in Reflexion verwendet werden, um einem Laserstrahl einen Phasenverlauf aufzuprägen. Allgemein kön nen die hierin vorgeschlagenen Strahlformungselemente beispielsweise in den in den eingangs genannten Anmeldungen beschriebenen Optik- Aufbauten der Anmelderin eingesetzt werden. In Zusammenhang mit den Figuren 2A bis 4D werden die grundlegenden Merkmale beispiel haft erläutert.

Strukturelle, die Phasenaufprägung bewirkende und flächig ausgebildete Strahlformungsele mente werden auch als Phasenmasken bezeichnet, wobei sich die Maske auf die Phase der zweidimensionalen Phasenverteilung bezieht. Die zweidimensionale Phasenverteilung der hierin offenbarten Konzepte ist insbesondere für die Erzeugung (nach Fokussierung mit der Fokussierlinse 17A) einer langgezogenen Fokus zone im Werkstück ausgelegt.

Fig. 1B verdeutlicht hierzu die Erzeugung einer „realen“ Bessel-Strahl-Fokuszone 81, wie sie z.B. mit einer Teleskopanordnung in ein Werkstück abgebildet werden kann. Zur Ausbildung der Bessel-Strahl-Fokuszone 81 wird eine transversale Axicon-Phasenverteilung auf den La serstrahl 5 aufgeprägt. Die Axicon-Phasenverteilung entspricht der Phase, die mit einem (rota tionssymmetrischen) Axicon 83 aus einem Material mit Brechungsindex n auf den einfallen den Strahl 5 transversal aufgeprägt wird. Das Axicon 83 wird durch einen Axicon-Winkel g charakterisiert, der den Winkel der konisch zulaufenden Axicon-Spitze spezifiziert. Ein dif- fraktives optisches Element kann derartige Axicon-Phasenverteilungen mit entsprechend an Flächenelementen vorgesehenen Phasenschiebungswerten reproduzieren (siehe auch Fig. 2A).

Fig. 1B zeigt ferner einen Winkel d zu einer Ausbreitungsrichtung 9‘ der einfallenden Laser strahlung, unter dem die (transversalen) Strahlanteile der Bessel-Strahl-Fokuszone 81 zuge führt werden. Der Winkel d hängt vom Axicon-Winkel g und vom Brechungsindex n ab. hängt. Eine maximal mögliche Länge lo der Bessel-Strahl-Fokuszone 81 ergibt sich aus dem Strahldurchmesser der einfallenden Laserstrahlung und dem Winkel d.

Fig. 1B verdeutlicht ferner eine sich ergebende transversale Intensitätsverteilung 85A sowie eine longitudinale Intensitätsverteilung 85B, jeweils im Schnitt und als Intensitätsprofil durch die Strahlachse (in X-Richtung) bzw. entlang der Strahlachse (in Z-Richtung). Beispielhaft ist ferner eine Durchmesser do eines Hauptmaximums 87 in der transversale Intensitätsverteilung 85A angedeutet.

Wie in Fig. 1B noch vor der Abbildung der Fokuszone in das Werkstück gezeigt wird, ent spricht eine Fokuszone einer dreidimensionalen Intensitätsverteilung, die in dem zu bearbei tenden Material 3 das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung und damit das Ausmaß der Modifikation bestimmt. Als langgezogene Fokuszone wird somit in einem in Ausbreitungs richtung 9 langgezogenen Bereich im Material 3 eine Fluenz/Intensität erzeugt, die über der für die Bearbeitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität dieses Materials liegt. Üblicherweise spricht man von einer langgezogenen Fokuszone, wenn die dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung) von mindes tens 10:1, beispielsweise 20:1 und mehr oder 30:1 und mehr z.B. 10000:1, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann zu einer Modifikation des Materials mit einem ähnlichen Aspektverhältnis führen. In einigen Ausführungsformen können sich z.B. auch in Ausbreitungsrichtung parallel zu einander verlaufende (Teil-) Fokuszonen ausbilden, von de nen jede ein entsprechendes Aspektverhältnis aufweist. Für die in Fig. 1B gezeigte Bessel- Strahl -Fokuszone 81 ist das Verhältnis der longitudinale Ausdehnung zur transversalen Aus dehnung des Hauptmaximums 87 auf der optischen Achse gegeben durch rO = 2.405/kr, mit 1a=2*p/l*(h-1)*g, wobei g der Axiconwinkel, l die Wellenlänge und n der Brechungsindex des Materials des Axicons.

Insbesondere mit Bessel-Strahlprofilen kann die Energie im Wesentlichen über die gesamte Länge einer hervorzurufenden Modifikation lateral in die langgezogenen Fokuszone (in Fig.

1B unter einem Winkel d zur Ausbreitungsrichtung 9‘ in die noch nicht abgebildete Bessel- Strahl -Fokuszone 81) für die Volumenabsorption eingebracht werden. In diesem Sinne kann ein Gaußscher Strahl keinen vergleichbaren langgezogenen Fokus erzeugen, da die Energiezu fuhr im Wesentlichen longitudinal und nicht lateral erfolgt.

Zurückkommend auf die Strahlformung zeigt Fig. 2A schematisch eine zweidimensionale Phasenverteilung 25 eines diffraktiven optischen Strahlformungselements 15, wie sie mit dem diffraktiven optischen Strahlformungselement 15 über ein transversales Strahlprofil aufge prägt werden kann. Fig. 2B zeigt einen zugehörigen Graph 26 zur Verdeutlichung von radia len Phasenverläufen, wie sie in der zweidimensionalen Phasenverteilung 25 in radialer Rich tung ausgehend von der Strahlmittenposition 23 des diffraktiven optischen Strahlformungs elements 15 in entsprechenden Segmenten ausgebildet sind.

In den Figuren 2A und 2B sind die zugrundeliegenden Phasenschiebungswerte (Phase in rad) von -p bis +p in Graustufen dargestellt bzw. als Phasenwert angegeben. Wie nachfolgend er läutert weisen die Phasenverteilung 25 und die radialen Phasenverläufe zur Reproduktion ei ner Axicon-ähnlichen Phasenaufprägung eine beispielhafte Sägezahnstruktur auf. Die zweidimensionale Phasenverteilung 25 ist in mehrere Winkel Segmente (nachfolgend auch kurz als Segment bezeichnet) segmentiert (unterteilt). Das Strahlformungselement 15 kann - wie ein im Sinne der Erfindung modifiziertes Axicon - im Strahlengang des Laserstrahls 5 zur Aufprägung einer Phase gemäß der zweidimensionalen Phasenverteilung 25 auf das transver sale Strahlprofil des Laserstrahls 5 angeordnet werden.

In Fig. 2A sind Parameter der zweidimensionalen Phasenverteilung 25 und Parameter einer zugeordneten flächigen Gitterstruktur verdeutlicht, wobei die flächige Gitterstruktur die zwei dimensionale Phasenverteilung 25 umsetzt.

Die flächige Gitterstruktur wird mithilfe von aneinander angrenzenden Flächenelementen 15A und diesen zugeordneten Phasenschiebungswerten aufgebaut. Hierin beziehen sich die Flä chenelemente 15A auf räumliche Struktureinheiten der flächigen Gitterstruktur, mit denen eine voreingestellte Phasenschiebung für die auftreffende Laserstrahlung gemäß einem zuge ordneten Phasenschiebungswert bewirkt werden kann. Ein Flächenelement 15A wirkt entspre chend auf einen zweidimensionalen Ausschnitt des transversalen Strahlprofils des Laserstrahls 15 und modifiziert die Phase um den Phasenschiebungswert. Flächenelemente entsprechen dem zuvor angesprochenen Aspekt der Digitalisierung. Beispielhafte Flächenelemente 15A sind in Fig. 2A im oberen rechten Eck der Phasenverteilung 25 angedeutet, wobei das Grö ßenverhältnis zwischen den beispielhaft rechteckigen Flächenelementen und der Phasenab hängigkeit von der Herstellung des Strahlformungselements abhängt.

Die Flächenelemente 15A bilden eine Mehrzahl von Winkel Segmenten aus, die jeweils eine einheitliche radiale Entwicklung der Phase (Phasenverteilung) über die zugehörige Win kelsegmentflächen zeigen. Die Winkel Segmente weisen jeweils eine azimutale Segmentbreite bezüglich der Strahlmittenposition 23 auf. In Fig. 2A ist die azimutale Segmentbreite durch einen azimutalen Winkelbereich Aßj für ein Winkelsegment verdeutlicht. Die in Fig. 2A ge zeigten Winkelsegmentflächen entsprechen Kreissektorflächen, die durch die Grundform des Strahlformungselements 15 im äußeren Randbereich beschnitten sein können. So liegt in Fig. 2A beispielhaft eine quadratische Grundform des Strahlformungselements 15 vor.

Beispielsweise können die azimutalen Segmentbreiten im Bereich von 2p/300 bis p liegen. Optional kann jedes der Mehrzahl von Winkel Segmenten eine gleiche vorbestimmte Segment breite aufweisen, z.B. einen Azimutalwinkelbereich von 2p/200. In die Phasenverteilung 25 der Fig. 2A ist ferner die bereits angesprochene Strahlmittenpositi on 23 eingezeichnet, auf die die Mitte des einfallenden Laserstrahls 5 justiert wird. Die Strahlmittenposition 23 definiert radiale Richtungen in der flächigen Gitterstruktur (in Fig 2A in der Zeichenebene beginnend an der Strahlmittenposition 23), entlang der die radialen Pha senverläufe vorliegen.

Für die Phasenverteilung 25 der Fig. 2A zeigt Fig. 2B radiale Phasenverläufe27A und 27B (als Phasenprofilkurven), die durch den Verlauf der Phasenschiebungswerten durch jeweils zwei gegenüberliegende Segmente 31, 31 ‘ bzw. 33, 33 ‘ gebildet werden. Insbesondere zeigt Fig. 2B den Verlauf der Phasenschiebungswerte entlang der X-Achse bei Y=0 (Linie 29A in Fig. 2A gehört zur Phasenverlauf 27A) durch die Segmente 31, 31 sowie den Verlauf der Phasenschiebungswerte durch die Segmenten 33, 33 ‘, die an die Segmente 31, 31 ‘ angrenzen (Phasenverlauf 27B). Beide Phasenverläufe 27A und 27B verlaufen durch die Strahlmittenpo sition 23 (X = 0 und Y = 0).

In den Segmenten liegen Phasenschiebungswerte vor, die sich in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der Strahlmittenposition 23 gemäß einer beispielhaften periodischen Funktion (z.B. eines Sägezahngitters) ändern. Man erkennt, dass die Phasenverläufe in radialer Rich tung einen linearen Anstieg aufweisen. In einem Winkelsegment bilden die Phasenschie bungswerte bezüglich der Strahlmittenposition 23 eine radialsymmetrischen Phasenverlauf aus, die in radialer Richtung einer Gitterfunktionen zugeordnet werden kann. In anderen Wor ten sindd die Phasenverläufe -27A, 27B abschnittsweise rotationssymmetrisch. In den Seg menten in Fig. 2B weisen die Gitterfunktionen die gleiche Gitterperiode Tr in radialer Rich tung und unabhängig von der radialen Position auf.

Zwischen zwei benachbarten Winkel Segmenten kann eine Verschiebung der Phasen vorliegen. Diese ist in Fig. 2B beispielhaft durch einen Segmentgitterphasenunterschied A0j angegeben. Die Segmentgitterphase 0j kann an der Strahlmittenposition 23 z.B. hinsichtlich eines rotati onssymmetrischen Gitters angegeben werden, dessen Phase in einem Ursprung des Gitters „Null“ ist. Beispielhaft ist die Segmentgitterphase 0j in Fig. 2B „0“ für die Winkel Segmente 31, 31 ‘ und ,,(-p)“ für die Winkelsegmente 33, 33‘. Dies entspricht Segmentgitterphasenunter schied A0j von (-p) zwischen den Segmentgitterphasen 0j der benachbarten Winkelsegmen ten 31 und 33 sowie zwischen den benachbarten Winkelsegmenten 31‘ und 33 In einigen Ausführungsformen weisen die Gitterfunktionen (nur) einen Anteil eines (radialen) Sägezahngitterphasenverlaufs mit sich wiederholenden Anstiegsbereichen 41 auf, in denen die Phase z.B. von (-p) bis p durchläuft (entsprechend der linearen Phasenänderung eines Axicon siehe Fig 1B). D.h., der Anteil des Sägezahngitterphasenverlaufs ist ein erster hierin diskutier ter Aspekt bei der Wahl des Phasenverlaufs. Weitere Anteile im Phasenverlauf sind möglich, die dem hierin offenbarten Konzepten überlagert werden können.

Als Beispiel für eine Integration eines weiteren Phasenanteils kann eine Phasenkomponente einer Femfeldoptik, die im optischen System 13 strahlabwärts des Strahlformungselements 15 angeordnet ist, in die Phasenverteilung aufgenommen werden. So kann in die zweidimensio nale Phasenverteilung eine Kollimationsphasenverteilung integriert werden, die über die Mehrzahl von Winkelsegmenten bezüglich der Strahlmittenposition beispielsweise radial symmetrisch ausgebildet ist. (Siehe hierzu auch die eingangs genannten Anmeldungen der Anmelderin.)

Im Graph 26‘ der Fig. 2C ist eine Überlagerung eines in Fig. 2B gezeigten Sägezahngitterpha senverlaufs (Axicon-Phasenanteil) mit einem (rotationssymmetrischen) Linsenphasenanteil verdeutlicht. Man erkennt, dass bei einem Phasenverlauf 27‘ durch zwei gegenüberliegende Segmente eine Gitterperiode mit zunehmendem Radius (Abstand von der Strahlmittenposition 23) zunimmt, d.h. Tr“ < Tr‘. Die Gitterperiode in radialer Richtung kann beispielsweise einen asphärischen, bevorzugt einen quadratischen und besonders bevorzugt einen linearen, Verlauf aufweisen, wie es beispielsweise der Fall wäre, wenn man eine Linsenfunktion integrieren würde.

Ist die radiale Abhängigkeit der Gitterperiode für alle Segmente gleich, bilden die radialsym metrischen Phasenverläufe in radialer Richtung in den verschiedenen Segmenten ebenfalls Gitterfunktionen aus, die eine gleiche Gitterperiode aufweisen.

Erfindungsgemäß kann in einigen Ausführungsformen eine Steigung eines Anstiegsbereichs 41 in jedem der Sägezahngitterphasenverläufe einem vorbestimmten Axicon-Winkel (Axicon- Winkel g in Fig. 1B) entsprechen. Dieser ist dem diffraktiven optischen Strahlformungsele ment 15 zugeordnet und bestimmt die Ausbildung des Bessel-Strahls. Der vorbestimmte Axi con-Winkel kann z.B. im Bereich von 0,5° bis 40° (typischerweise im Bereich von 1° bis 5°) für eine Erzeugung eines realen Bessel-Strahl-Zwischenfokus mit dem Laserstrahl strahlab- wärts des diffraktiven optischen Strahlformungselements (31) liegen. Für ein Zugrundelegen eines virtuellen Bessel-Strahl-Zwischenfokus strahl aufwärts des diffraktiven optischen Strahl formungselements 15 kann der vorbestimmte Axicon-Winkel z.B. im Bereich von -0,5° bis - 40° (typischerweise im Bereich von -1° bis -5°) liegen.

Für die Umsetzung der hierin offenbarten Konzepte unterscheiden sich die azimutalen Seg mentbreiten von mindestens zwei benachbarten Winkelsegmenten. Alternativ oder zusätzlich weisen die Segmentgitterphasen Oj von mindestens zwei benachbarten Winkel Segmenten ei nen Segmentgitterphasenunterschied AOj zwischen 0 und 2p, insbesondere bei für alle Seg mente gleichen Segmentbreiten zwischen 0 und p oder zwischen p und 2p auf. In einigen Aus führungsformen können zusätzlich mindestens zwei benachbarte Winkelsegmente einen Seg mentgitterphasenunterschied AOj von p aufweisen.

Man erkennt in Fig. 2A ferner, dass beispielhaft die Phasenverteilung 25 bezüglich der Strahlmittenposition 23 punktsymmetrisch ausgebildet ist. Ferner können mindestens zwei, insbesondere sich bezüglich der Strahlmittenposition 23 gegenüberliegende, Winkel Segmente bezüglich der Strahlmittenposition 23 identische radialsymmetrische Phasenverläufe ausbil den. Allgemein kann die zweidimensionale Phasenverteilung durch eine oder mehrere Sym metrieachsen gekennzeichnet sein; in Fig. 2A verlaufen Symmetrieachsen entlang der X- Achse, die Y-Achse sowie durch die Diagonalen der quadratischen Grundform des Strahlfor mungselements.

Wie bereits erwähnt können die Strahlformungssysteme unterschiedliche Segmentgrößen aufweisen, wie sie z.B. durch die azimutale Segmentbreite (den azimutalen Winkelbereich Aßj) bestimmt wird. Ferner kann die azimutale Lage eines Winkel Segments (hierin auch als Segmentposition bezeichnet) variieren, so dass vielfältige Optimierungsmöglichkeiten beste hen. In Fig. 2A ist eine Segmentposition für das Segment mit dem azimutalen Winkelbereich Aßj durch einen Winkel aj bezüglich der X-Achse verdeutlicht, d.h. dem Winkel zwischen der Linie 29A und der Diagonalen, die als Linie 29B in Fig. 2A beispielsweise durch die Mitte (in azimutaler Richtung) des Segments verläuft.

Die nachfolgend anhand der Figuren 3 A bis 3D und 4A bis 4D beschriebenen Ergebnisse bei der Erzeugung langgezogener beugungsfreier Fokuszonen sind beispielhaft zu verstehen. Es wird verstanden werden, dass erfindungsgemäß weitere Fokusverteilungen realisiert werden können, in dem die Ausgangsparameter Segmentgitterphasenunterschied und optional einer oder mehrere der Parameter Segmentposition, Segmentbreite und Segmentanzahl verändert werden.

Die hierin beschriebenen Konzepte können allgemein wie folgt dargestellt werden:

Ganz allgemein moduliert ein ideal dünnes Axicon das Eingangsfeld mit einer radialsymmet rischen Phasenverteilung mit linearem Anstieg: (kr = 2*pi/Tr mit Tr der Gitter periode des Sägezahngitters).

Dabei ist k _r durch den Axiconwinkel g, den Brechungsindex n und die Wellenlänge l gegeben (Kleinwinkelnäherung angenommen): ^ 2n(n 1)g/L

(Siehe z.B.: J. Leach, G. M. Gibson, M. J. Padgett, E. Esposito, G. McConnell, A. J. Wright, and J. M. Girkin, “Generation of achromatic bessel beams using a compensated spatial light modulator,” Opt. Expressl4, 5581-5587(2006))

Die hierin offenbarten Konzepte erhalten die radiale Abhängigkeit zur Gewährleistung einer in Ausbreitungsrichtung beugungsfreien Fokuszone, wobei eine azimutale Abhängigkeit durch die Ausbildung von Winkel Segmenten hinzugenommen wird:

Hinsichtlich der Einflussnahme auf die Ausbildung der Intensitätsbereiche wird die azimutale

Abhängigkeit W wählbar und kann z.B. zwischen Segementen Sprünge aufweisen. (Bei

, ,' ,AL infinitesimal kleinen Winkelsegmenten geht A0j in " / über.) Die azimutale Abhängig keit in den Winkelsegmenten kann mittels eines Optimieralgorithmus für vorgegebene Zielparameter bestimmt werden. Beispielsweise kann der Optimieralgorithmus von Ausgangsparametem wie Segmentgitterphase, Anzahl und/oder Position von Winkel Segmenten ausgehen oder überdies einen oder mehrere dieser Ausgangsparameter in die Optimierung einbeziehen.

Nachfolgend werden in den Figuren 3 A bis 3D und 4A bis 4D zur Verdeutlichung der Mög lichkeiten der hierin vorgeschlagenen Konzepte zwei beispielhafte Phasenverteilungen auf einem strahlformenden Element sowie sich ergebende Intensitätsverteilungen in einem latera len Schnitt durch die erzeugte Fokuszone und einem Schnitt entlang der axialer Richtung ge zeigt.

Ausgangspunkt der beiden beispielhaften Phasenverteilungen ist, dass die Winkelsegmente eine gleiche (Gitter-) Periode eines radial-symmetrischen Sägezahngitters aufweisen.

Die Figuren 3 A und 3B zeigen eine azimutale Verteilung 47 der Segmentgitterphasen 0j und eine zweidimensionale Phasenverteilung 49 eines beispielhaften Strahlformungselements, bei dem sich die azimutalen Segmentbreiten der benachbarten Winkel Segmente unterscheiden. Im Sinne eines nach den hierin offenbarten Konzepten „modifizierten diffraktiven Axicon“ ist die zweidimensionale Phasenverteilung 49 in j=12 Winkelsegmente untergliedert. In jedem Seg mentbereich liegt ein radialsymmetrischer Phasenverlauf um eine vorgesehene optische Ach se, hier der Strahlmittenposition 23 des Strahlformungselements, mit einer Segmentgitterphase 0j vor. Somit stimmen die optischen Achsen der jeweiligen Winkelsegmente überein. Ab wechselnd weisen die Winkelsegmente Segmentgitterphasen 0j von 0 und (-p) auf und es liegen entsprechend Segmentgitterphasenunterschiede A0j von p zwischen benachbarten Winkel Segmenten vor.

Beispielhaft ist für ein Segment eine Segmentposition am Winkel aj und eine Segmentbreite (Winkelbereich Aßj) in Fig. 3A eingezeichnet.

Die Figuren 3C und 3D zeigen eine transversale Intensitätsverteilung (transversales Strahlpro fil 51) und einen Schnitt entlang der Ausbreitungsrichtung (longitudinales Strahlprofil 53) nach Fokussierung des phasenaufgeprägten Strahls. Man erkennt im transversalen Strahlprofil 51 die Ausbildung eines speziell geformten Hauptmaximums 55 und mehrere Nebenmaxima 57. Die Nebenmaxima 57 liegen z.B. unterhalb einer relevanten Schwellenfluenz/-intensität eines zu bearbeitenden Materials. Im longitudinalen Strahlprofil 53 erkennt man eine Ausbil dung einer langgezogenen Fokuszone 59, die keine Beugungseffekte entlang der Ausbrei tungsrichtung zeigt.

Die Figuren 4A und 4B zeigen eine azimutale Verteilung 61 der Segmentgitterphasen 0j und eine zweidimensionale Phasenverteilung 63 eines weiteren beispielhaften Strahlformungsele ments, bei dem sich die Segmentgitterphasen 0j im Wesentlichen aller benachbarten Win- kelsegmente unterscheiden. Es liegen Segmentgitterphasenunterschiede A0j zwischen 0 und 2p zwischen benachbarten Winkelsegmenten vor, wobei die azimutalen Segmentbreiten aller Winkel Segmente gleich sind. Die zweidimensionale Phasenverteilung 63 ist in j=200 Win kelsegmente untergliedert. In jedem Segmentbereich liegt ein radialsymmetrischer Phasenver lauf um eine vorgesehene optische Achse, hier der Strahlmittenposition 23 des Strahlfor mungselements, vor.

Man erkennt auch in Fig. 4A, dass sich die Sägezahngitter in den Winkel Segmenten durch gleiche (identische) Gitterperioden auszeichnen. In anderen Worten entsprechen die Phasen- aufprägungen in den Winkel Segmenten jeweils einem Axicon mit gleichem Axiconwinkel, aber mit unterschiedlichen Phasenbeitrag in der Axicon-Spitze. Entsprechend sind die Gitter funktionen (Phasenverläufe) zueinander phasenverschoben.

Die Figuren 4C und 4D zeigen eine transversale Intensitätsverteilung (transversales Strahlpro fil 65) und einen Schnitt entlang der Ausbreitungsrichtung (longitudinales Strahlprofil 67) nach Fokussierung des phasenaufgeprägten Strahls. Man erkennt im transversalen Strahlprofil 65 die Ausbildung von vier aufgereihten Hauptmaxima 69 umgeben von mehreren Nebenma- xima 71. Die Nebenmaxima 71 liegen z.B. wieder unterhalb einer relevanten Schwellen- fluenz/-intensität eines zu bearbeitenden Materials, sodass sich bei der Bearbeitung mit einem Laserpuls vier linear aufgereihte Modifikationen ausbilden können. Im longitudinalen Strahl- profil 67, das die vier Hauptmaxima 69 schneidet, erkennt man entsprechend vier langgezoge ne Fokuszonen 73, die keine Beugungseffekte entlang der Ausbreitungsrichtung zeigen.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung 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 bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.