用于以激光輻射加工工件的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于以激光輻射加工工件(110)的方法，特別是用于激光燒蝕。提供至少一個激光束(130)，所述激光束借助于至少一個可變的射束成形裝置(132)影響。所述激光束(130)接著射在所述工件(110)的至少一個加工面(112)上。借助于所述射束成形裝置(132)給所述激光束(130)在所述加工面(112)的位置上施加至少一個預給定的可調節的射束輪廓(116，118，120)。
【專利說明】用于以激光輻射加工工件的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于以激光輻射加工工件的方法和設備。這種設備和方法可以特別是用于在材料中去除三維的微幾何形狀。沒有其它可能的應用實例的限制的情況下，例如可以對此參照在制造金屬式表面結構(例如為了改善摩擦屬性)時、在制造噴嘴時、或者在制造陶瓷式傳感器元件(例如氧氣傳感器或者其它類型的陶瓷式氣體傳感器)時的激光燒蝕技術。也可以想到這種激光燒蝕技術的大量的其它應用。
【背景技術】
[0002]特別是具有超短激光脈沖(UKP)的激光被用于材料去除。被稱為超短脈沖激光特別是這樣的激光:該激光放射出具有在皮秒和飛秒或者更短的范圍內(例如最大為100皮秒、優選最大為10皮秒的脈沖持續時間)的脈沖寬度的脈沖式激光光線。只要脈沖能量不是太高，這種超短脈沖激光能夠實現特別是幾乎無熔化物并且無毛刺的材料去除部。待去除的幾何形狀在此在現有技術中一般通過可自由編程的掃描系統來預給定。在此，所述幾何形狀利用具有小的光束直徑的激光束在工件上去除進而塊狀地和層狀地去除。
[0003]但是在很多情況下的實踐中，復雜的并且特別是三維的幾何形狀的去除需要無利可圖的長的過程時間。一般僅僅通過提高去除率可以縮短過程時間。提高去除率大多要求平均激光功率Pav = Ep.fp的提高。在此，Pav稱為平均激光功率，Ep稱為單個脈沖的脈沖能量，并且fp稱為脈沖頻率。如果僅僅通過脈沖能量Ep的提高來實現在相同的光學成像系統中的功率提高，然而則通常會失去近似無熔化物并且近似無毛刺的去除部的優點。
[0004]為了在去除率提高的情況下獲得加工精度，因此在實踐中一般需要的是，在恒定的脈沖能量中提高重復率或者脈沖頻率fp。同時為了獲得近似無熔化物的去除部，然而在工件上的各個脈沖的脈沖重疊必須至少基本上保持恒定。因此，在實踐中大多必須使激光束在工件上的進給速度與重復率成比例地提高。
[0005]但是傳統的掃描器(大多與聚焦光學器件以及特別是這些聚焦光學器的焦距相關)一般由于掃描鏡的動力在該掃描鏡的軌跡速度方面被限制。為了能夠使用具有高重復率的快速光束源以提高體積去除部，因此許多在市場上可供使用的光束偏轉系統(例如所謂的激光振鏡)過慢。因此，用于以激光輻射加工工件的方法和設備是值得期待的，所述設備和所述方法一方面具有高的去除率并且另一方面能夠實現高的加工精度。
【發明內容】
[0006]與此相應地，本發明提出一種用于以激光輻射加工工件的方法以及一種用于以激光輻射加工工件的激光加工設備。激光加工設備可以特別是設置用于執行根據本發明的方法，并且所述方法可以特別是在使用所建議的激光加工設備的情況下執行。關于以激光輻射加工可以特別是理解成激光燒蝕，也就是一種這樣的方法:在該方法中，例如通過使工件材料的氣化的方式實施所述工件材料的材料去除。與此相應地，激光加工設備可以特別是構造成激光燒蝕設備。
[0007]在所建議的方法中，提供至少一個激光束。與此相應地，激光加工設備具有至少一個激光源以提供至少一個激光束。激光束在所建議的方法中借助于至少一個可變化的射束成形裝置來影響并且接著射到工件的至少一個加工面上。借助于射束成形裝置給激光束在加工面的位置上施加至少一個預給定的可調節的射束輪廓。
[0008]關于激光成形裝置應在本發明的框架內原則上理解成任意的這樣的設備:所述設備設置用于調節激光束在加工面的位置上的射束輪廓。特別是在這種調節中可以在至少兩個、優選至少三個、四個、五個或者更多射束輪廓之間選擇，和/或所述射束輪廓可以被自由調節。這種調節可以以多級或者無級地進行。關于射束輪廓在此可以特別是理解成在加工面的位置上的局部強度分布。
[0009]關于加工面通常可以理解成工件的對于激光束可觸及的表面。在該方法期間可以使所述加工面變化，因為例如可以實現材料去除并且所述加工面因此可以在多個方法步驟之間朝工件的內部位移。所述加工面可以是一體的，但是也可以由多個分面共同組成。
[0010]射束成形裝置可以特別是設置用于在加工面上產生至少兩個不同的圖樣，該圖樣包括照射區域和非照射區域。關于圖樣在此理解成:在至少兩個維度中不同照射區域的可調節的次序、例如照射區域和非照射區域的可調節的次序。例如，在所述圖樣中可以在至少兩個不同的照射區段(例如至少兩個照射和非照射區段)的每個空間方向上交替。照射區域和非照射區域的圖樣可以包括圓的、橢圓的、矩形的和特別是方形的圖樣，從而例如照射區域形成圓的(特別是圓形的或者橢圓的)和/或矩形的(特別是方形的)區域，在所述區域內部例如可以實現材料去除。
[0011]該方法特別是可以如此執行，使得包括照射區域和非照射區域的至少兩個不同的這種圖樣依次產生。在兩個不同圖樣之間的變換中，在不同圖樣的照射區域中的積分通量保持基本上不變。積分通量H在此通常理解成激光能量的面密度。“基本上不變”例如可以理解成等同，其中，例如積分通量中不大于+/_30%、特別是不大于+/_20%、并且特別優選地不大于+/-10%的偏差在變換圖樣時還是可容忍的。但是，在兩個不同圖樣之間的變換(在所述變換中所述積分通量變化)原則上也是可以的。
[0012]射束成形裝置涉及到其它可能的構型。如上所解釋，所述設備原則上是任意的這樣的設備:該設備能夠實現在加工面的位置上的射束輪廓的調節。特別的是，射束成形裝置可以包括變化元件的矩陣，其中，變化元件設置用于使激光束射到該變化元件上的組成部分在該激光束的相位和/或振幅和/或強度方面變化。也就是說，變化元件可以設置用于，(例如在垂直于激光束的光學軸的平面中)使一個或多個表征激光束的參數(例如從由相位、振幅、強度和偏振組成的組合中選出的一個或多個激光參數)局部地變化。關于矩陣在此通常理解成變化元件的至少二維的區域，所述區域例如可以通過坐標系表征。例如，在此可以涉及到笛卡爾坐標系或者極坐標系。因此，在矩陣中例如在坐標系的每個空間方向上可以設置至少兩個上述的變化元件。矩陣例如可以在這樣的平面中展開:例如垂直于激光束的光學軸的平面。所述矩陣例如可以是矩形矩陣，其中，在每個空間方向上設置至少兩個變化元件。替代地或者附加地，也允許圓的特別是圓形的矩陣，其中，變化元件例如設置成環形的。射束成形裝置原則上也可以是其它構型。
[0013]激光束可以與射束成形裝置的矩陣以不同方式來交替作用，這些方式與變化元件的構型相關。例如，激光束可以穿過所述矩陣，從而例如可以使用透射式射束成形裝置。替代地或者附加地，然而所述矩陣也可以具有完全或部分反射的屬性，從而所述射束成形裝置的矩陣例如也可以反射式使用。
[0014]這樣的變化元件在實踐中原則上是已知的:所述變化元件設置用于，使激光束的相位和/或振幅和/或強度局部地變化，例如用于在加工面的位置上產生預給定的圖樣。因此可以例如借助于可切換的變化元件的矩陣來產生相位移動，其中，變化元件例如由于可切換的雙折射的屬性和/或由于可切換的電光學效應(例如一階和/或二階的電光學效應)可以造成相位移動。為了這個目的，例如可以使用雙折射的和/或電光學的材料(例如所謂的泡克耳斯單元和/或克爾單元)。替代地或者附加地，也可以使用例如聲光學效應。變化元件可以被激光束一次或者多次地穿過。變化元件也可以與一個或多個其它元件(例如濾波器和/或偏振濾波器)共同作用。例如變化元件也可以使激光束的偏振方向局部地變化，從而例如在射束成形裝置的位置上的激光束內部產生具有不同偏振方向的區域的圖樣。偏振方向可以例如通過相應偏振旋轉的元件、例如通過光學活性材料(如液晶和/或無機光學活性晶體和/或糖)影響。變化元件的這種矩陣可以單獨使用或者與其它元件共同作用，以便例如在加工面的位置上產生強度圖樣，所述變化元件可以影響偏振和特別是偏振方向并且可以以這種方式在激光束中產生不同偏振方向的圖樣。因此可以例如局部在射束成形裝置的位置上調節偏振方向的圖樣，其中，例如在射束成形裝置與工件或加工面之間可以設置一個或多個偏振方向選擇元件(例如二色性的鏡和/或偏振濾波器和/或偏振分束器)。以這種方式例如借助于射束成形裝置以及在那里實現圖樣施加的、激光束中的確定的光學參數可以在加工面的位置上產生強度圖樣。所述強度圖樣可以特別是可自由調節的。
[0015]變化元件可以特別是可電子控制的。這可以特別是根據已知的原理實現，因為例如上文提到的電光學效應是可電子控制的。替代地或者附加地，(也例如由液晶顯示已知)通過電場的變化實現偏振旋轉。也可以考慮可電控制的變化元件其它類型，其方式例如是:變化元件可以包括可電控制的微鏡的矩陣、特別是基于半導體材料(例如所謂的MEMS)可根據微系統技術的方法制造。
[0016]變化元件和變化元件的矩陣可以特別是可借助于像素圖樣來控制，也就是說，借助于這樣的圖像圖樣(優選是數字式圖像圖樣):所述圖像圖樣例如可以借助于數據處理設備預給定。例如可以在電腦上自動地或者手工地產生這種圖像圖樣，所述圖像圖樣于是可以例如借助于相應的控制來傳遞到變化元件的矩陣上。
[0017]借助于變化元件可以特別是在垂直于激光束的光學軸的平面中產生與位置相關的相位調制的圖樣。該圖樣可以例如由多個區域組成，這些區域在至少二個維度中彼此鄰接，其中，在不同的區域中，激光束的相位位置能夠分別可自由調節或者可在預給定的范圍內調節。以這種方式可以在垂直于激光束的光學軸的平面中產生相位圖樣。此外，在該方法中可以在射束成形裝置與加工面之間使用至少一個聚焦元件(例如至少一個透鏡和/或至少一個具有聚焦屬性的鏡)。這種聚焦元件可以特別是變換地作用，從而在射束成形裝置的位置上的與位置相關的相位調制的圖樣變換成在加工面位置上(也就是在加工面上)的與位置相關的強度調制的圖樣。這種變換例如通過這樣的方式發生:例如借助于變化元件的矩陣給經校準的和/或經均勻化的激光束在射束成形裝置的位置上施加上述的相位圖樣，所述相位圖樣于是通過借助于聚焦元件的聚焦來通過在此進行的傅里葉變換在加工面上變換成相應的強度圖樣。
[0018]射束成形裝置可以特別是具有所謂的空間光調制器和/或具有至少一個微鏡系統。關于空間光調制器一般理解成用于光在空間上的調制器，所述調制器設置用于，給光在空間上(例如在垂直于光的傳播方向的平面中)進行調制。如上文所解釋，所述調制涉及到一個或多個參數(相位、振幅、強度和偏振)的局部變化，從而參數的值例如與在垂直于傳播方向的平面中的位置相關。特別是涉及到可電控制的空間光調制器。空間光調制器例如可以具有變化元件的二維的(例如矩形的)矩陣，例如根據上述的說明。空間光調制器可以例如透射和/或反射式運行。特別的是，空間光調制器可以具有液晶元件的矩陣，所述液晶元件可以單個地或者以組的形式被電控制，并且所述液晶元件設置用于，有針對性地影響所述激光束的穿過相應的液晶元件的那些組成部分的相位位置和/或偏振。以這種方式例如(如上所述)借助于空間光調制器給激光束在垂直于激光束的傳播方向的平面中的射束成形裝置的位置上施加相位位置圖樣。
[0019]射束成形裝置可以特別是可電子控制的，其中，通過所述電子控制使射束輪廓可調節(特別是可自由調節)，其方式例如是:可以針對射束成形裝置的電子控制來預給定圖像圖樣，根據所述圖像圖樣于是可以實現在射束成形裝置的位置上的激光束的一個或多個上文提到的參數的與位置相關的影響，其方式例如是:給激光束在垂直于激光束的傳播方向(也稱為光學軸)的平面中以一個或多個上述參數(相位、振幅、強度和偏振)施加圖樣，從而所述參數在上述平面中與位置相關。
[0020]激光束可以特別是在射到射束成形裝置上之前被擴張。特別是在射束成形裝置之前(例如在激光源與射束成形裝置之間)設置至少一個光學設備，所述光學設備使激光束擴張和/或所述光學設備使激光束均勻。這可以例如借助于相應的透鏡系統以簡單的方式實現。
[0021]激光束可以特別是在經過射束成形裝置之后聚焦，其方式例如是:使所述激光束聚焦到加工面上。當射束成形裝置設置用于在該射束成形裝置的位置上給激光束施加相位圖樣(所述相位圖樣于是如上文所解釋地通過聚焦而在加工面的位置上變換成強度圖樣)時，所述方法的構型特別是有利的。
[0022]替代或者附加地，然而該方法也可以如此執行，使得射束成形裝置例如設置用于在射束成形裝置的位置上產生強度圖樣。在這種情況下特別優選的是，在射束成形裝置與加工面之間設置至少一個成像系統，其中，成像系統例如設置用于:將在射束成形裝置的位置上的強度圖樣變換成在加工面的位置上的相應一致的、放大的或者縮小的強度圖樣。這種成像系統可以例如包括一個或多個鏡頭。
[0023]在執行該方法期間，可以特別是改變所述射束成形裝置。因此，該方法可以特別是包括一順序，該順序具有至少兩個不同的照射步驟、優選至少三個不同的照射步驟或者更多個不同的照射步驟，其中，在所述不同的照射步驟中，以激光束的不同的射束輪廓照射工件的加工面。例如可以規定:第一照射步驟，在該第一照射步驟中，激光束在加工面的位置上具有第一直徑和/或等效直徑和/或第一幾何形狀；至少一個第二照射步驟，在第二照射步驟中，激光束在加工面上具有這樣的射束輪廓，該射束輪廓具有不同于第一直徑的第二直徑和/或等效直徑和/或不同于第一幾何形狀的幾何形狀。以這樣的方式可以通過上述的順序例如依次地進行以不同射束輪廓的去除，從而該方法一般可以用于制造三維表面。
[0024]射束輪廓可以特別是分別在加工面上形成包括照射區域和非照射區域的圖樣、特別是像素圖樣。在照射步驟中可以分別以不同的方式來控制變化元件的矩陣，特別是可以根據上述的可能性方案構造的變化元件的矩陣。
[0025]在不同的照射步驟中可以例如分別在工件的不同的平面中將不同幾何形狀的和/或不同深度的孔引入到工件中。因此，該方法特別是可以用于三維地表面構型。
[0026]所述激光加工設備涉及其它可能的構型。因此，激光加工設備可以特別是具有控制器(特別是具有至少一個數據處理設備的控制器)，其中，所述控制器例如可以如此給射束成形裝置編程，使得在加工面的位置上的射束輪廓可自由編程。例如可以借助于控制器給在加工面的位置上的射束輪廓施加圖樣、例如強度圖樣。
[0027]如果激光加工設備具有至少一個控制器，則控制器特別是設置用于執行一順序，該順序具有至少兩個不同的照射步驟，其中，在至少兩個不同的照射步驟中，以激光束的不同的射束輪廓照射工件的加工面。
[0028]激光源可以特別是包括至少一個脈沖式激光、特別是至少一個短脈沖激光和特別優選至少一個根據上述定義的超短脈沖激光。
[0029]如上文所解釋，射束成形裝置可以特別是所謂的空間光調制器，所述空間光調制器可以透射式和/或反射式運行。
[0030]特別的是，射束成形裝置可以具有變化元件的至少一個矩陣，所述矩陣設置用于在垂直于激光束的光學軸的平面中(也就是在垂直于在射束成形裝置的位置上的激光束的傳播方向的平面中)產生激光束的不同參數的區域的圖樣。特別的是，射束成形裝置可以設置用于，在射束成形裝置的位置上產生強度圖樣。在這種情況下特別優選的是，激光加工設備在射束成形裝置與工件的加工面之間具有至少一個成像系統，其中，在射束成形裝置的位置上的強度圖樣在加工面上成像為相應的強度圖樣，其中，被成像的圖樣可以包括一致的圖樣、放大的圖樣或者縮小的圖樣。
[0031]替代或者附加地，激光加工設備也可以如此設置，使得射束成形裝置(如上文所解釋地)在垂直于激光束的光學軸的平面中產生相位圖樣，從而例如可以產生在激光束的不同相位或者相位位置(兩個概念在這里同義地使用)的區域上的矩陣。在這種情況下特別優選的是，激光加工設備在射束成形裝置與工件的加工面之間具有至少一個聚焦元件，從而在射束成形裝置的位置上的相位圖樣變換成在加工面的位置上的強度圖樣。也就是說，激光加工設備通常可以在射束成形裝置與工件之間具有至少一個聚焦元件和/或至少一個成像光學器件、例如至少一個鏡頭。
[0032]此外，激光加工設備可以在射束成形裝置與工件之間具有至少一個遮光件。借助于所述遮光件(例如光闌式遮光件)可以使激光束的不期望的組成部分保持遠離工件。
[0033]此外，激光加工設備可以具有至少一個保持部以重新接收工件。該保持部可以在預給定的位置上固定所述工件和/或也可以設置用于將所述工件相對于激光束來定位和/或取向。例如保持部可以為了這個目的具有至少一個定位設備，該定位設備例如具有一個或多個執行器用于工件的定位和/或取向。
[0034]激光束可以射在加工面的固定位置上。相應地，激光加工設備的整體光學器件例如可以剛性地構造，從而例如可以僅僅使工件相對于激光束定位和/或取向。但是替代地或者附加地，激光束也可以構造成可運動的和/或可定位的和/或可取向的，其方式例如是:激光加工設備具有一個或多個定位激光束的元件(例如一個或多個可運動的鏡、例如一個或多個上述的激光振鏡)。
[0035]該方法可以特別是如此執行，使得實現工件材料的激光去除(激光燒蝕)。優選地，該去除如此實現，使得不發生工件材料的熔融或者基本上不發生這種熔融。在加工面的位置上的射束輪廓可以相應地如此調節，使得該射束輪廓具有包括照射區域和非照射區域的圖樣，其中，在照射區域中，激光束的強度處于針對材料的蒸發所需的強度之上，然而在非照射區域中，所述激光束的強度處于針對材料的蒸發所需的強度之下，從而例如不會出現這樣的區域:在所述區域中，激光束的強度處于針對材料的熔化所需的強度閥值與針對材料的蒸發所需的強度閥值之間。但是，僅僅在照射區域與非照射區域之間的過渡區域中可以出現這種情況:其中，所述的這些區域然而優選保持得很小，從而待產生的結構的邊緣的熔化部可以保持得很小。該方法可以特別是如此執行，使得可以執行快速地光束形狀變換(也就是說，在加工面的位置上的射束輪廓的快速變換)。這可以特別是(如上文所解釋)通過可自由編程的空間光調制器來實現。
[0036]所建議的方法和所建議的激光加工設備以一個或多個上述的構型相對于已知的設備和方法上述類型具有眾多的數量。替代掃描方法(在該方法中，工件的加工面的按順序地并排的區域被掃描)可以借助于所建議的方法特別是在待加工的工件上借助于靈活的射束成形裝置實現完全的或者部分的幾何形狀。以這種方式，射束輪廓可以如此成形，使得在加工面的位置上(例如在加工平面中)相應于期望的去除幾何形狀。因此，例如可以每激光脈沖在納米至微米范圍內去除期望的形狀的整個層。特別是可以在所建議的方法中(以快速任意的幾何形狀)允許“激光沖壓”，其中，可以實施精確的去除。
[0037]在所建議的方法中可以特別是至少近似無熔化物地保持工件的材料的去除。為了這個目的(如上文所解釋)激光束的積分通量H保持恒定。因為，脈沖能量Ep—般利用加工部位的面積Asptrt由公式Ep = Aspot.H得出，因此一般可以沒有缺點地利用比在傳統方法明顯大的脈沖能量來加工。同時,每脈沖的去除體積增加，并且加工可以相應地比通過激光束來掃描更快。然而，盡管如此也可以附加地使用掃描方法，如上文所解釋。
[0038]在加工面的位置上的靈活的射束成形可以(如上文所解釋)特別是通過空間光調制器的像素的控制以簡單且可靠的方式實現。對于多級的幾何形狀，因此可以利用可編入程序的光束形狀例如去除第一平面。然后于是可以(例如通過空間光調制器的程序改編)以其它光束形狀來嵌入相應的其它級。由此，一般可以在本發明的框架中通過相應的控制(例如空間光調制器的可編程的控制)以至今未實現的速度來精確地制造復雜的三維的幾何形狀。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]在下面的實施例和附圖中示出了本發明可能構型的其它細節和特征。本發明不限于這些實施例和附圖。
[0040]其示出了:
[0041]圖1:根據本發明的出于三維地激光燒蝕目的用于以激光輻射加工工件的方法的一個實施例；
[0042]圖2:根據本發明的激光加工設備的第一實施例；和
[0043]圖3:根據本發明的激光加工設備的第二實施例。
【具體實施方式】
[0044]在圖1中非常示意性地示出用于加工具有加工面112的工件110的方法。在該方法中，以圖1中未示出的、具有至少一個激光束的激光輻射來加工工件110，其中，在此示例性地進行激光燒蝕。在所示的實施例中,激光燒蝕在工件110中產生三維的幾何形狀114，所述幾何形狀在圖1中以局部剖視圖示出。該方法也可以稱為用于產生三維幾何形狀114的“激光沖壓”。
[0045]在所建議的方法的實施例中，該方法包括一至少兩個不同的照射步驟的順序其中，在圖1中象征地示出三個不同的照射步驟。在這些可以被依次執行的照射步驟的每一個中，工件110分別被激光束的不同的射束輪廓照射。示例性地，在圖1中示出三個不同的射束輪廓116、118和120。在射束輪廓116-120的每一個中，加工面112的位置上的激光束具有照射區域122和非照射區域124的圖樣。但是原則上，加工面112的位置上的其它射束輪廓也是可能的。例如，在圖1中分別示出射束輪廓在圖1中所示的工件110剖切平面中的強度分布，其中分別示出強度I與位置X的關系。該方法特別是可以如此執行，使得強度I在照射區域122中處于燒蝕閾值之上、例如工件110的材料的氣化閾值之上，然而所述強度在非照射區域124中處于工件110的材料的熔化閾值之下。
[0046]射束輪廓116-120可以例如在其直徑和/或等效直徑和/或幾何形狀方面有所區另O。因此，射束輪廓116-120例如示例性在圖1中以該次序具有減小的直徑或等效直徑。此外，在射束輪廓116-120右邊表示出這些射束輪廓可以具有不同的幾何形狀。因此，第一射束輪廓116以及第三射束輪廓120例如可以在俯視圖中具有圓的幾何形狀，然而第二射束輪廓118例如在示例性示圖中可以具有方形的幾何形狀。相應地，在該實施例中根據圖1產生級幾何形狀，所述級幾何形狀通過去除面1、2和3表示。因此第一級(記為I)相應于用第一射束輪廓116執行第一照射步驟之后的狀態，示意地記為2的級相應于用第二射束輪廓118執行第二照射步驟之后的狀態，并且數字3相應于用第三射束輪廓120執行第三照射步驟之后的狀態。
[0047]在根據本發明的方法中的靈活的射束成形可以原則上以不同的方式實現，其中，在所有情況中使用至少一個射束成形裝置用于在加工面112的位置上產生可調節的射束輪廓。根據本發明可使用的激光加工設備126的第一實施例在圖2中示出。激光加工設備包括至少一個僅在圖1中示出的激光源128以提供至少一個激光束130。該激光束可以例如被校準和/或均勻化。如圖所示，激光束130 (特別是經校準的激光束130)可以例如具有高斯型的強度輪廓。
[0048]此外，激光加工設備126具有至少一個射束成形裝置132，所述射束成形裝置設置用于在工件110 (僅在圖2中示出)的加工面112的位置上產生可調節的射束輪廓。在圖2中示例性地示出三個射束輪廓，通過數字1、2和3標記，又以強度I的強度分布的形式作為位置X的函數，例如作為垂直于激光束130的光學軸134的位置坐標的函數。例如可以產生具有照射區域和非照射區域的數字化級輪廓(例如參見強度分布I)，或者也可以產生具有多個級的區域(例如參見強度分布3)。
[0049]射束成形裝置132可以以不同的方式構造。在圖2中示出一個實施例，其中，該射束成形裝置132包括所謂的空間光調制器(Spatial Light Modulator, SLM) 136。空間光調制器可以例如在所示實施例中如此構型，使得該空間光調制器沿著垂直于光學軸134的方向借助于變化元件140的相應矩陣138提供所述激光束130的與位置相關的相位調制的圖樣。例如可以以這種方式(相應于矩陣138)在垂直于光學軸134的平面中相應產生所述射束成形裝置132的位置上的激光束130的不同相位位置的區域。在工件110與射束成形裝置132之間可以設置至少一個聚焦元件，也就是至少一個這樣的元件:該元件設置用于，將激光束130在射束成形裝置132的位置上的不同相位位置的圖樣轉化成在加工面112的位置上的強度分布圖樣。例如聚焦元件142可以是至少一個透鏡144。聚焦元件142(在物理上考慮)可以執行所述射束成形裝置132的位置上的相位位置圖樣的傅里葉變換，從而加工面112的位置上的強度I作為激光束130在射束成形裝置132的位置上的傅里葉變換得出。在聚焦元件142與加工面112之間可以可選地設置一個或多個遮光件146，例如用于抑制干擾輻射和/或避免不期望的邊緣效應。
[0050]射束成形裝置132可以例如通過激光加工設備126的至少一個控制器148控制，從而加工面112的位置上的強度分布的圖樣可以通過矩陣138的相應調整(例如通過相應的電控制)調節。
[0051]在空間光調制器136中，用于圖樣的各個圖像點的相位滯后能夠借助于矩陣138通過電控制可在矩陣138的每個像素中個別地調節。這可以例如通過液態晶體和/或通過電光學效應實現。在該相位元件之后，激光束130通過聚焦透鏡144和/或其它類型的聚焦光學器件匯聚，所述聚焦光學器件作為聚焦元件142起作用。通過相位調制和聚焦的結合，在激光加工設備126的工作平面中(工件110的加工面112可以設置在所述工作平面中)根據形成相位的空間光調制器136的調節得出其它強度分布。空間光調制器136針對工作平面中的強度分布的期望形狀的調整可以例如提前通過波動光學的模擬來確定和/或可以通過測量射束成形結果根據經驗地或者也在線地求取或者改良。干擾的功率份額(所述功率份額可能在其它偏轉角度的情況下從光學系統中逸出)可以在需要時通過至少一個遮光件來屏蔽工件110。
[0052]替代或者附加于圖2中示出的激光加工設備126和/或射束成形裝置132的構型，根據本發明也可以使用其它設備。因此，在圖3中示出原則上與圖2類似的實施例，所述實施例可以基本上通過射束成形裝置132的構型來區分。在這種情況下，射束成形裝置132使用多個變化元件140，所述變化元件例如可以在垂直于光學軸134的平面中產生激光束130的強度分布的圖樣。一般可以例如通過每個變化元件140 (也就是矩陣134的每個像素)的強度的調制在激光束130經過所述射束成形裝置132之前的原始光束中產生任意的光束分布。在此，不適用于期望的射束輪廓的功率份額在空間上被切削或者被局部地減弱。例如，矩陣138的單個像素可以換成可透光的，其它又換成不可透光的。射束成形裝置132又可以例如通過控制器148控制。矩陣138的圖樣可以例如(在考慮相應的扭曲和/或放大和/或縮小的情況下)基本上相應于加工面112上的待去除的區域150的圖樣。相應地，借助于控制器148預給定的用于矩陣138的圖樣也可以基本上在其構型方面與待去除的區域150的幾何形狀相關。借助于矩陣138的可透光的像素，因此可以產生去除。在射束成形裝置132的位置上垂直于光學軸134的平面中的強度分布可以借助于相應的成像光學器件152 (例如借助于鏡頭和/或類似的成像設備)成像到加工面112上，從而在加工面112上產生由矩陣138產生的、強度分布的圖樣的成像。該成像可以從其幾何形狀和/或尺寸方面看來與矩陣138的位置上的圖樣一致，然而也可以放大、縮小或者扭曲。可以考慮不同的構型。
[0053]因此，空間光調制器136例如可以如同由可自由編程的遮光件幾何形狀與可自由編程的減弱器幾何形狀的組合那樣起作用。除了由于經切削的光束區域所導致的大的功率損失之外，然而在空間光調制器上在很多情況下也由于遮光件的棱邊上的衍射產生干涉效應，所述干涉效應在圖3中未示出。通過在遮光件之后將強度分布的幾何光學地成像到工件表面上、也就是到加工面112上(中繼成像)，可以使得工件110上的強度分布的可自由編程的幾何形狀被用于加工。因此，在成像平面中(在所述成像平面中設置所述加工面112)將衍射對過程的影響最小化。為了通過遮擋光束份額來最小化通常不可避免的功率損失，特別是可以使用經均勻化的激光束130。經均勻化的激光束130可以特別是恰好如此大，使得所述經均勻化的激光束超過遮光件的自由孔徑地輻射。此外，激光束130為了避免由于矩陣138的各個像素的部分減弱所導致的功率損失來如此構造，使得該激光束不具有高斯輪廓，而是可以在空間光調制器136之前已經通過原始光束的射束成形來均勻化或者已經均勻地由激光源128發射。
【權利要求】
1.一種用于以激光輻射加工工件(110)的方法，特別是用于激光燒蝕，其中，提供至少一個激光束(130)，所述激光束(130)借助于至少一個能夠變化的射束成形裝置(132)來影響，所述激光束(130)接著射在所述工件(110)的至少一個加工面(112)上，借助于所述射束成形裝置(132)給所述激光束(130)在所述加工面(112)的位置上施加至少一個預給定的能夠調節的射束輪廓(116,118,120)0
2.根據上一個權利要求所述的方法，其中，所述射束成形裝置(132)設置用于，在所述加工面(112)上產生至少兩個不同的圖樣，所述圖樣包括照射區域和非照射區域(122,124),當在兩個不同的圖樣之間變換時所述照射區域(122)中的積分通量基本上保持不變。
3.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述射束成形裝置(132)具有變化元件(140)的矩陣(138),其中，所述變化元件(140)設置用于使所述激光束(130)射到所述變化元件(140)上的組成部分在其相位和/或振幅和/或強度和/或偏振方面變化。
4.根據上一個權利要求所述的方法，其中，借助于所述變化元件(140)在垂直于所述激光束(130)的光學軸(134)的平面中產生與位置相關的相位調制的圖樣，借助于至少一個聚焦元件(142)使所述與位置相關的相位調制的圖樣在所述加工面(112)上變換成與位置相關的強度調制的圖樣。
5.根據上兩個權利要求中任一項所述的方法，其中，借助于所述變化元件(140)在垂直于所述激光束(130)的光學軸的平面中產生與位置相關的強度調制的圖樣，借助于至少一個成像光學器件(152)使所述與位置相關的強度調制的圖樣在所述加工面(112)上成像為與位置相關的強度調制的圖樣。
6.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述射束成形裝置(132)包括至少一個空間光調制器(136)和/或至少一個微鏡系統。
7.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法包括一順序，該順序具有至少兩個不同的照射步驟，其中，在所述不同的照射步驟中，以所述激光束(130)的不同射束輪廓(116,118,120)照射所述工件(110)的加工面(112)0
8.根據上一個權利要求所述的方法，其中，在所述不同的照射步驟中，所述射束成形裝置(132)的變化元件(140)的矩陣(138)分別被以不同的方式控制。
9.根據上三個權利要求中任一項所述的方法，其中，在所述不同的照射步驟中，分別在所述工件(110)的不同平面中將不同幾何形狀和/或不同深度的孔引入到所述工件(110)中。
10.一種用于以激光輻射加工工件(110)的激光加工設備(126)、特別是激光燒蝕設備，其中，所述激光加工設備(126)具有至少一個激光源(128)以提供至少一個激光束(130),其中，所述激光加工設備(126)如此設置，使得所述激光束(130)射在所述工件(110)的至少一個加工面(112)上，所述激光加工設備(126)還具有至少一個射束成形裝置(132)以影響所述激光束(130),所述射束成形裝置(132)設置用于給所述激光束在所述加工面(112)的位置上施加至少一個預給定的能夠調節的射束輪廓(116,118,120).
11.根據上一個權利要求所述的激光加工設備(126),其中，所述激光加工設備(126)具有至少一個控制器(148),所述控制器(148)設置用于執行一順序，該順序包括至少兩個不同的照射步驟，在所述不同的照射步驟中，以所述激光束(130)的不同的射束輪廓(116,.118,120)照射所述工件(110)的加工面(112)。
12.根據上述涉及到激光加工設備(126)的權利要求中任一項所述的激光加工設備(126),其中，所述激光加工設備(126)具有至少一個保持部以接收所述工件(110).
【文檔編號】B23K26/064GK104302438SQ201380022703
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年3月18日 優先權日:2012年4月30日
【發明者】U·格拉夫, R·高赫 申請人:羅伯特·博世有限公司