用于通过激光剥除使辊结构化的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于通过激光剥除来对辊进行结构化的装置，该装置具有：辊容纳设备，其设置用于容纳待结构化的辊；激光源，其设置用于产生一系列激光脉冲；以及光学系统，其设置用于将从激光源产生的激光脉冲对准到容纳在辊容纳设备中的辊的表面上。此外，本发明还涉及到一种用于通过激光剥除、特别是通过使用前述的装置来对辊进行结构化的方法，其中以光学系统来将激光脉冲对准到待结构化的辊的表面上，从而在通过激光脉冲照射的加工场中通过激光剥除将辊结构化。

背景技术：

为了制造例如像是具有结构化(纹理化的)表面的钢板这样的扁平制品，在现有技术中使用到了所谓的修整辊，这些修整辊具有结构化的表面。这些结构化的表面在轧制品上滚轧过程中产生传递，从而在轧制品上产生相应的表面结构化。

为了给像是前述的修整辊这样的辊配设适合的表面结构，现有技术中已知不同的方法。这些方法总体上分为用于制造确定性的表面结构的方法以及用于制造随机的表面结构的方法。

为了制造随机的表面结构尤其使用到喷丸法(Shot-Blast-Verfahren)，其中将由硬铸物组成的、有棱角的钢粒抛掷到旋转中的辊的待结构化的辊表面上。这样得到的粗糙结构与类似山形的、相互过渡的、塑料的单一变形处的随机分布相应。然而由于过程参数的过大的分散范围，这种喷丸法的可再现性是不足够的。

用于以随机的表面结构来制造结构化的薄板的另一方法从发表物“Stahl und Eisen(钢和铁)”118(1998)编号.3，第75-80页中已知。在此，用于薄板结构化的辊在封闭的反应系统中以耐磨的铬-多层系统覆层。铬-多层系统的粗糙结构的特征在于不同大小的半球的相对均匀的随机分布，其在修整时以相应的拱顶的形状传递到薄板上。

用于制造具有随机的表面结构的结构化的扁平制品、特别是薄板的另一中方法从EP 2 006 037 B1中已知。在此，用于薄板结构化的辊借助于电火花结构化(Electro Discharge Texturing,EDT)而结构化。在该方法中，通过电火花来使辊表面粗糙化。这通过使工作辊在一个槽内引导经过侧向摆动的电极而实现，介电质(例如油)位于该槽内。在电极与辊之间短暂地、可能周期性地在电机与辊之间施加既定的电压。在此，由电解质构成的电荷载体(离子)通过电火花通道出来加速向辊表面并产生凹处。在这种类型的辊结构化中，辊的转动用作快速的偏转轴。确定性的结构化不能借助于这类EDT设备实现，因为这涉及到的是一种随机的电火花工艺。

从CN 101642778 B中已知另一种用于使辊表面结构化的方法。

从DE 10 2012 017703 A1的现有技术中已知一种方法，通过该方法能够确定性地使修整辊结构化。在此借助于脉冲的激光射线在修整辊上制造期望的结构。针对该目的使聚焦的激光束移动经过转动的辊，该激光束在表面上的直径与结构尺寸相应。辊的转动在此通常是快速的偏转轴和激光射线横向移动，即，在辊轴方向上的运动、缓慢的偏转轴，从而使激光束几乎螺旋状地扫描辊表面。

通过激光脉冲照射的区域中，由于脉冲的高强度而造成了局部的材料剥蚀，其特征在于，直径和剥蚀深度。激光脉冲的放射能够在对辊进行扫描的过程中通过调整以预设的方式打开或关闭，从而通过该方法基本上能够在辊上制造任意一种结构。

通过激光束或激光脉冲传递到辊表面上的单位面积的能量称为注量并且通常表示为J/cm²。能够在基础研究中为了每种辊材料确定出理想的单位面积的能量(注量)，其称为最佳剥除注量Φ_o。最佳剥除注量Φ_o取决于材料和脉冲长度。在最佳剥除注量Φ_o的情况下达到了每个使用功率的最高剥除率(B.Lauer，B.Neuenschwander，B.Jaeggi，B.Schmid,“From fs-ns:Influence of he pulse duration onto the material removal rate and machining quality for metals”,ICALEO 2013,论文M309(2013))。

在现有技术中仅以一个激光光斑在辊上进行扫描。在辊表面上所使用激光的平均功率从以下公式中得出：

其中f_rep是激光脉冲的重复率、W₀是在辊的表面上通过激光脉冲照射的面积的半径并且由此A是通过激光脉冲照射的面积。以激光脉冲在辊表面上照射的或者能够照射的面积总体上称为相关的激光脉冲的加工场。

为了照射大面积A_w、例如整个辊表面而所需的加工时间t_w能够如下地计算：

如公式(1)和(2)示出的，在使用高的平均功率P_m的情况下的加工时间t_w能够通过相应增大的重复率f_rep或照射的面积A而缩短。

在已知的用于结构化辊的脉冲的激光束的方法中，使用到椭圆形的或者矩形的斑点并且因此使用到椭圆形的或矩形的加工场。为了在辊表面上制造确定的结构，系统性使斑点移动经过表面。斑点的最大直径或最大侧面长度通过两个在辊表面上待生成的结构元素的最小间距而确定。因此斑点尺寸、也即通过激光脉冲照射的面积A不能够任意地增大，因为否则的话不能够达到对于待制造的结构而言必要的分辨率。

在现有技术中像是在cw激光器的开发中一样也在脉冲激光器的情况下呈现出，原本仅几10W的较小的平均功率P_m能够升高到几100W。因此原则上仅仅就平均功率P_m而言创造了对于短时间内结构化几m²的表面大小的修正辊的前提条件。

然而证实出，在已知的方法中尽管使最大的平均功率P_m提高到平均几100W，却不能以脉冲激光器来显著缩短加工时间t_w，因为f_rep和A为此所必需的升高当前出于以下原因而受限。

一方面，在(特别是在MHz范围内的)高重复率f_rep的情况下，由于调控技术的限制而不再能够接通这些单个脉冲。然而为了确保以复杂的图案来尽可能快速地结构化，必须控制单个激光脉冲的放射，换言之，必须能够在两个脉冲之间打开或关闭放射，从而为了在辊表面上制造特定的结构而例如仅使每第二个激光脉冲到达辊表面。

如果这种切换并不足够精确，那么会导致在辊表面上剥离的期望位置与实际位置偏差。就此引起了，为了在辊表面上的一个且同一个位置上达到足够的剥除深度可能必须定位多个激光脉冲。因此在高重复率的情况下不再能够确保结构的精准度。

因为通常将辊转动用作快速偏转轴，必须此外使激光器的重复率适应于辊旋转速率，以便于以单独的激光脉冲来扫描表面。然而在高重复率的情况下，由于机械的限制为了确保相应的脉冲间隔(即通过两个前后相继的脉冲而在辊表面上照射出的加工场的间距)而不再能够达到辊的必要的偏转速度。

在1MHz的重复率f_rep以及30μm的脉冲到脉冲的间隔的情况下，必须以30m/s来偏转辊表面。通过大的几何尺寸以及由此引起的大的重量而使得辊的转动不能够任意快速地实施。辊的转动限制在约8转每秒(U/s)。由此在辊直径为约0.45m的情况下得到一个表面速度并且因此得到了最大11m/s的偏转速度。

也通过由光学系统横向地扫描辊，不能够显著提高偏转速率。因此，在像是电流计式扫描器或多边形扫描器等这样的扫描器系统的情况下，出于机械原因而使偏转速度受限。在该系统中，移动的部分的惯性对于最大偏转速率是决定性的。例如在高加速的情况下，电流计式扫描器的镜变形，由此使得激光斑点在辊表面上的偏转严重受影响。电子光学的以及声光的系统(KTN、AOD等)不适合于激光脉冲的高重复率和高峰值能量。就此，扫描理解为加工场位置的逐渐偏移。扫描仪或扫描仪系统相应地理解为这样的系统，即，通过这些系统而实现了这样的扫描，即，在辊表面上加工场位置的偏移。

为了尽管在重复率f_rep受限的情况下仍实现面积A_w的更短加工时间t_w，替代性地能够扩大通过光脉冲照射的加工场。然而为了在辊上施加特定的确定性的结构，却不能够任意地增大斑点大小，也就是说在表面上聚焦的直径。在表面上的两个结构元素的最小间距在此确定了最大斑点直径。如果在两个结构元素之间的最小间距例如为30μm，那么能够使表面上的激光光斑具有30μm的最大直径。由此能够通过激光脉冲而在辊表面上加工仅一个小的加工场，从而使每个光脉冲的加工场的面积A受限。

在现有技术中的该方法中，在没有剥除的加工场中关闭激光器并且没有利用到为相应的激光脉冲而提供的能量。由此，额外地减小了有效的重复率有效的重复率描述了辊表面实际上达到的＝时间单位的激光脉冲的数量。该有效的重复率最大和激光脉冲的重复率f_rep一样大，然而通过激光脉冲的泄漏而使待施加的结构相应地更小。

由于上述限制，在目前已知的方法中，并不能够利用到激光器的最大平均功率P_m。

技术实现要素：

在该背景下，本发明的目的在于，提供一种用于通过激光剥除来对辊进行结构化的装置以及方法，通过该方法缩短了加工时间t_w并且更好地利用激光器的最大平均功率P_m。

在用于通过激光剥除使辊结构化的装置中，该装置具有：辊容纳设备，其设置用于容纳待结构化的辊；激光源，其设置用于产生一系列激光脉冲；以及光学系统，其设置用于将从激光源产生的激光脉冲对准到在辊容纳设备中容纳的辊的表面上，根据本发明达到这样达到该目的，即，使光学系统包括光学元件，该光学元件设置用于修改激光脉冲的空间上的强度图形并且修改、特别是扩大通过激光脉冲而在辊的表面上照射的加工场。

光学元件能够特别设置用于使通过激光脉冲而在辊表面上照射出的加工场根据对于由激光脉冲的空间的强度图形的修改而匹配。如果例如这样修改激光脉冲的空间上的强度图形以使得激光脉冲具有更低强度的范围，那么能够例如相应地扩大照射的加工场，例如基本上扩大了通过该更低强度的区域照射在辊表面上的面积。

根据本发明，光学元件配置用于修改激光脉冲空间上的强度图形并且使通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场根据最大平均功率P_m而扩大和/或适应于得出最佳剥除注量Φ_o。

辊容纳设备优选地构造为旋转设备并且设置用于转动辊。为此，辊容纳设备优选地具有用于可旋转地支撑辊轴的轴承以及用于驱动辊的旋转驱动装置。

激光源优选涉及短脉冲激光源或者超短脉冲激光源。激光源特别设置用于生成激光脉冲，该激光脉冲适用于对辊表面的激光剥除。例如，作为激光源能够使用脉冲光纤激光器，其具有500W的最大平均功率和在约1070nm的波长情况下具有约1μs的脉冲持续时间的约100kHz的脉冲重复频率。

光学的系统优选地具有成像光学装置，通过该装置能够将由激光源产生的激光脉冲成像到容纳在辊容纳设备中的辊的表面上。

光学元件为此构造用于修改激光脉冲的空间上的强度图形。激光脉冲的空间的强度图形理解为横向于激光脉冲的扩散方向的激光脉冲的强度分布。通过对于激光脉冲的空间上的强度图形的修改因此实现了，在辊表面上由激光脉冲照射的加工场以激光脉冲的强度分布来施加。特别是能够这样更改激光脉冲的空间上的强度图形，即，使得强度图形具有高强度的空间区域，从而在照射的加工场的相应的区域内进行激光剥除，并且使强度图形具有较低强度的空间区域，从而在照射的加工场的相应的区域内不进行任何激光剥除。优选地，由光学元件修改的强度图形具有至少一个由高强度的区域围绕的较小强度的区域，即，内部的强度最小值。

光学元件优选地为此设置用于为激光脉冲印出预设的强度图形。

光学元件进一步配置用于对通过激光脉冲在辊表面照射出的加工场进行修改，特别是扩大。优选地，光学元件特别设置为，使通过激光脉冲在辊表面照射出的加工场取决于最大平均功率P_m而扩大和/或这样匹配，即，得出最佳剥除注量Φ_o。以这种方式能够在预设的、特别是技术上可控的重复率f_rep的情况下缩短加工时间t_w，从而能以更短的时间结构化辊表面。加工场的尺寸能够通过光学辅助装置来匹配。加工场理解为以激光脉冲而在辊表面上照射到的或可照射到的面积。加工场的修改理解为，在辊表面上的加工场的面积具有与没有相应的光学元件的情况下不同的尺寸。加工场的扩大相应地理解为，在辊表面上的加工场的面积比没有相应光学元件情况下更大。为此目的，能够特别将光学元件设置用于使激光脉冲横向于传播方向扩展。

已知的是，通过设置所述的光学元件能够实现激光脉冲的空间上的结构化，这允许了，扩大以激光脉冲照射的加工场，而不会由此损害要在辊表面上施加的结构的分辨率。此外已知的还有，通过以激光脉冲照射的加工场的扩大也能够更好利用到激光源的最大平均激光功率，因为能够将可用的功率分布在更大的面积上。

特别是能够在技术上可控的重复率f_rep的情况下以这样的程度来匹配激光脉冲的照射的加工场，即，以可购的光学系统、特别是扫描仪系统利用最大平均激光功率。以理想的方式，能够这样修改激光脉冲的强度图形，即，在应该进行激光剥除的区域内基本上达到对于剥除而言最佳的剥除注量Φ_o。

因此能够利用所述的装置对辊表面实现最佳表面加工。这既涉及到取决于激光功率的加工时间也涉及到了相应地照射的、用于制造期望的目标几何结构的加工场中的强度分布及其精确度。

另外，在用于通过激光剥除、特别是通过使用前述装置使辊结构化的方法中，以光学系统将激光脉冲对准到待结构化的辊的表面，从而使得辊在通过激光脉冲照射的加工场通过激光剥除得到结构化，按照本发明相应地由此实现该目的，即，通过光学元件、特别是衍射光学元件或者空间光调制器修改脉冲激光的空间上的强度图形并且修改、特别是扩大通过光脉冲在辊表面上照射的加工场。

特别是，通过光脉冲在辊表面上照射的加工场能够通过光学元件根据激光脉冲的空间上的强度图形的修改而匹配。如果对激光脉冲的空间上的强度图形例如这样进行修改，即，使得激光脉冲具有较小强度的区域，那么能够例如相应地扩大照射的加工场，例如基本上扩大了通过该较小强度的区域而在辊的表面上照射的面积。

根据本发明，通过光学元件来修改激光脉冲的空间上的强度图形，并且使得通过激光脉冲在辊的表面上照射出的加工场以取决于最大平均功率P_m的方式扩大和/或适应于得到最佳剥除注量Φ_o。

在下文中，描述该装置以及该方法的不同实施例，其中单个实施例能够任意地相互结合并且既能够应用到该装置上也能够应用到该方法上

在一种实施方式中，光学元件是衍射的光学元件或者空间光调制器。衍射的光学元件以及和空间光调制器已经证实适合于，为激光脉冲而配设期望的空间上的强度图形。能够通过这些元件形成镭射光束，从而在加工场中生成期望的结构几何图形。

作为衍射光学元件(DOE)特别涉及到的是玻璃载体，通过光刻法能够将微结构施加在该玻璃载体上。其中，像是在透镜的情况下，通过部分光束的不同光程长度而产生相位调制，由此产生干涉图样。额外地，通过结构性的和破坏性振幅重叠而进行调制。因此，能够通过在合适的设计而操纵激光束中的强度图形。DOE能够履行两种任务：它们能够形成激光束(英文：beam shaping)或者将该激光束分成多个部分激光束(英文：beam splitting)。在DOE中的微结构能够通过折射率或者高度调制而形成。好的构件在此实现了80-99的效率以及95-99％的透射率。如果以激光束而穿射DOE，那么在以激光脉冲照射的面积上，即，在相应的加工场中，得到期望的结构。

以空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)能够几乎任意地调整光束的波前。SLM的工作方式与DOE的类似。通过局部的相位匹配，能够将SLM之后的光束的波前自由地控制。能够以SLM制造的光脉冲的结构的分辨率仅仅取决于SLM的像素结构，其中像素代表激光束或激光脉冲的最小的、能够不相关地调制出的区域。关于SLM的工作方式和使用的其他信息能够从以下发表物中得到：Z.Kuang等著的“Ultrafast laser parallel microprocessing using high uniformity binary Dammann grating generated beam array”，Appl.Surf.Sci.(2013),273卷,101页,和A.Jesacher等著的“Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction,”Optics Express(2010),18卷,21090页”。

与DOE相比之下，能够以SLM在线地改变激光脉冲的强度图形并由此改变在以激光脉冲照射的面积(即在加工场中)上的强度结构。因此，SLM能够在对辊加工的期间制造任意多的不同结构。

在另一实施方式中，将光学元件配置用于这样修改激光脉冲的空间上的强度图形，即，仅在通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场的部分区域内进行激光剥除。在该方法的相应的实施方式中，激光脉冲的空间上的强度图形这样得以修改，即，仅在通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场的部分区域内进行激光剥除。

以这种方式实现了，制造在以激光脉冲照射的辊表面的加工场中的次级结构，其中次级结构的结构尺寸比加工场的尺寸更小。加工场的总面积上的、由激光脉冲照射的部分区域的比例在此以剥除比例α来表示。在α＝0.3的情况下，进行激光剥除的部分面积例如是通过激光脉冲照射的加工场的30％。

在另一种实施方式中，光学元件配置用于使通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场这样扩大，即，该加工场在至少一个方向上具有比辊表面上待施加的结构的最小结构尺寸更大的范围。在本方法的一种相应的实施方式中，通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场这样扩大，即，该加工场在至少一个方向上具有比辊表面上待施加的结构的最小结构尺寸更大的范围。

以这种方式实现了，能够以激光脉冲照射出比现有技术的方法中更大的面积A。由此能够在预设的重复率f_rep的情况下缩短用于更大面积A_w的加工时间t_w。

在另一种实施方式中，光学元件配置用于这样修改激光脉冲的空间上的强度图形并且对通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场这样修改、特别是取决于最大平均功率而这样适配，即，使得在加工场的进行激光剥除的部分区域内的注量基本上与规定的最佳剥除注量相应。在本方法相应的实施方式中，这样修改激光脉冲的空间上的强度图形并且对于通过激光脉冲在辊表面上照射的加工场这样修改、特别是取决于最大平均功率而这样适配，即，使得在加工场的进行激光剥除的部分区域内的注量基本上与规定的最佳剥除注量相应。最大平均功率理解为激光源的最大平均功率。

以这种方式，能够最佳地利用激光源的最大平均功率并且同时通过对于剥除注量的最优化而改善激光剥除。照射区域的最佳尺寸A_opt特别取决于剥除比例α、材料特定的最佳剥除注量Φ_o、激光器的平均功率P_m和重复率f_rep。相应地适用公式(1)：

在一种实施方式中，该装置配置用于以由激光源生成的激光脉冲来扫描在辊容纳设备中的容纳的辊的表面，特别是通过转动在容纳装置中的辊并且通过借助于光系统而在横向上偏移、特别是移动加工场位置。在本方法的一种相应的实施方式中以激光脉冲扫描辊的表面。为此目的，特别能够转动辊以及使加工场位置横向借助于光系统偏移、特别是移动。为了横向地通过光学系统移动加工场位置，能够例如使光学系统自身或光学系统的至少一个部件(例如镜)横向地偏移或移动。替代性地，能够也将光学系统的一个部件移动以使得激光脉冲横向偏转。为此目的，能够使光学系统例如具有可转动的镜，借助于该镜能够使激光脉冲以不同方向偏转。

以前述的实施方式能够逐步地使整个辊表面结构化。辊转动例如涉及到的是快速的偏转轴以及在横向偏移的加工场位置的情况下涉及到的是缓慢的偏转轴，从而激光束几乎以螺旋状扫描辊表面。

在另一种实施方式中，该装置配置用于这样扫描辊表面，即，使得在辊表面上由这些单独的激光脉冲照射的加工场基本上无空隙地并且无重叠地处于相邻。在本方法一种相应的实施方式中，这样扫描辊表面，即，由这些单独的激光脉冲照射的加工场在辊表面上基本上无空隙地并且无重叠地处于相邻。

通过基本上不重叠的设置加工场，实现尽可能少的加工时间t_w。进一步，通过基本上无间隙的设置加工场，实现了均匀且精准地结构化辊表面。“基本上无间隙”理解为，在两个相邻的加工场的边棱之间的移位是在移位方向上加工场的范围的最大10％、优选最大5％、特别是最大2％。“基本上无重叠”理解为，两个相邻的加工场的重叠是加工场的面积的最大5％、优选最大2％。

在另一种实施方式中，光学元件配置用于这样修改激光脉冲的空间上的强度图形，并且这样配置该装置，即，以激光脉冲扫描在辊容纳设备中容纳的辊的表面以便于在辊的表面上得到预设的结构。在本方法一种相应的实施方式中这样修改激光脉冲的空间上的强度图形，并且这样以激光脉冲扫描辊的表面，即，在辊的表面上得到预设的结构。该结构优选涉及到超出单个加工场的结构、特别是辊的整个表面的预设结构。

在一种实施方式中，光学系统包括旋转补偿系统，该系统配置用于这样补偿在辊容纳设备中容纳的辊的转动，即，使得在辊表面上的两个在横向上相邻的加工场以旋转方向相互对齐。在本方法的一种相应的实施方式中，这样补偿在辊容纳设备中容纳的辊的转动，即，使得在辊表面上的两个在横向相邻的加工场以旋转方向相互对齐。两个加工场在旋转方向上的对齐理解为，加工场在旋转方向上相互基本上不具有任何错位，特别是具有在旋转方向上加工场尺寸的最大5％的错位。

为此目的，旋转补偿系统例如包括移动的镜，通过该镜激光束的焦点能够在一系列的激光脉冲上与旋转的辊一起得到引导，从而实现了多个在横向上相邻的并且在旋转方向上相互对齐的加工场的照射。

替代性地，该装置也能够以没有旋转补偿的方式工作。在该情况下，横向相邻的加工场相互间具有与辊的旋转速度下相应的、在辊旋转方向上的错位。

在另一种实施方式中，光学系统配置用于在辊的表面上以辊轴向这样偏移加工场的位置，即，在第一加工场的照射与第二加工场的照射之间，照射至少一个第三加工场，第二加工场相对于第一加工场在辊的旋转方向上偏移，第三加工场相对于第一加工场在横向上偏移。在本方法的相应的实施方式中，在第一加工场的照射与第二加工场的照射之间，照射至少一个第三加工场，第二加工场相对于第一加工场在辊的旋转方向上偏移，第三加工场相对于第一加工场在横向上偏移。

通常辊旋转形成了快速的偏转轴并且加工场位置在横向上的偏移构成了缓慢的偏转轴，从而激光束几乎螺旋状地扫描辊表面。通过辊转动造成的辊表面的偏转速率可能不足以使该表面在确定的重复率f_rep的情况下在两个激光脉冲之间以加工场的侧边长度而偏转。在这种情况下可以减小重复率f_rep或者缩小加工场。然而在能够实现激光器的最大功率的、激光系统的最小重复率的情况下，不再在两个脉冲之间保留加工场的侧边长，从而在结构化过程中不利用全部的激光器功率。

在前述的实施例中，该问题这样得以解决，即，除了转动之外还进行在横向上快速的偏移从而能够照射在横向上相邻的加工场，特别是直到辊的表面在旋转方向上覆盖加工场的侧边长的时间点。在该时间点，由此能够对在转动方向上相邻的加工场进行照射。

为了在横向上理想地偏移，必须有效地达到在等式(4)中所要求的偏转速率。出于此原因，光学系统优选地包括用于在辊表面上对照射的加工场进行定位快速扫描仪。扫描仪的速度不必要是“实际的”，即，位移不必要是实际上以这个速度进行，而是必须在这个时间内在两个脉冲之间实现期望的偏移。因此，为了偏移，路径速度并非是决定性的，而偏移的最终位置才是决定性的。在此不重要的是，如何达到最终位置。该偏移应该仅以预设的分散的步骤、特别是以距离l_a进行。优选地，扫描仪相继实施这些工作步骤，在这些工作步骤中，扫描仪分别以预设的分散的步骤使加工场位置在辊的宽度上偏移。在这种情况下，以每个工作步骤照射在横向上的辊表面的一条。优选地，扫描仪在每个工作步骤中达到同一个横向的加工场位置，从而使加工场以多个单独的照射的条带的形式相邻地对齐。

在另一种实施方式中，装置包括控制器，控制器配置用于使该装置对应于前述的方法或其实施方式而运行。为此目的，该控制器能够例如具有微处理器并且因此具有连接的存储器，其中存储器包含多个指令，这些指令在微处理器上的运行促使实施上述方法。

附图说明

本发明的更多特征和优点在下文对实施例的描述中得出，其中参照了附图。其中：

图1示出了与现有技术中的方法相应地借助于脉冲的激光器对修整辊进行结构化的原理图；

图2至4示出了在辊的材料区段上激光束作用或交互作用的示意图；

图5示出了根据本发明的装置的实施例的示意图；

图6a-c示出了具有不同的剥除比例的、通过各一个激光脉冲照射的加工场的示意图；

图7a-b示出了两个在辊表面上通过各一个激光脉冲照射的加工场的示意图，具体为一次没有以旋转补偿进行以及一次以旋转补偿来进行；以及

图8a-b示出了由一系列的激光脉冲照射的加工场的示意图，并且具体为依次没有以旋转补偿进行以及一次以旋转补偿来进行。

具体实施方式

图1示出了一种与现有技术中的方法相应地借助于脉冲的激光来对修整辊进行结构化的原理图。

待结构化的辊1设置在构造为旋转装置的辊容纳设备中并且在此处旋转。在辊1快速旋转期间(快速偏转轴)，光学系统的成像光学部件2以相对较小的速度、横向于辊轴方向而移动(缓慢的偏转轴)。成像光学部件2在辊1的表面上投射由激光源14生成的激光脉冲。通过辊转动与成像光学部件2的横向移动的重叠，所脉冲出的激光束在辊表面上描绘出螺旋状的轨迹(图1)。

激光束3在约为1μs的脉冲期间渗入到辊1的材料4中直至确定的深度。材料4或辊1的表面材料由自由的带电子5和金属阳离子6组成(图2)。

通过激光束3的电磁场使电子5加速并且最终在交互作用期间将其动能传递到金属离子6。由此使这些金属离子偏移摆动并且将摆动能量传递给相邻的、在激光束与辊的材料之间的纯交互作用区域之外的金属离子(图3)。以这种方式在照射的辊材料4中产生热量。在脉冲时间期间(图4)，通过进一步的激光能量输入将材料熔化。最后，达到了蒸发温度，并且熔融物7的一部分蒸发。在熔融物7上方形成的金属蒸汽云8快速扩张，其中后坐力效应引起以熔液态的喷溅物9的形式的剩余熔融物的射出。短脉冲激光法的特征在于每个脉冲的相对大的材料剥除体积。

通过选择参数：脉冲频率、脉冲能量、转动的辊表面上的痕迹间距、光激点直径(光斑直径)、激光强度曲线和/或辊的转数而确定了在辊表面上的杯状物的分布和几何形状。通过多个单独杯状物的叠加而结构化或制造出山谷形的、相连的区域。

为了在辊1的表面上制造出预设的、确定性的结构，将快速且连续的一系列激光脉冲有目的性地中断。激光脉冲的中断能够借助于快速的光学的开关、AOM(Akustoopischer Modulator(声光调制器))10而实现(图1)。通过快速地打开和关闭AOM 10能够因此确定性地或者在辊表面上投影单个激光脉冲或者也偏转到冷阱11上并且在那里消失。在激光脉冲投影到辊表面上时，激光器的能量导致在相应的位置上的激光剥除(辊1上的黑点)，而当激光脉冲在相应的位置上消失时表面则保持不变(辊1上的白点)。

为此使用的激光器(脉冲光纤激光器)具有500W的最大平均功率和在约1070nm的波长情况下约100kHz的脉冲重复频率。脉冲时长例如为约1μs。

在AOM 10经过之后，激光束3借助于光导线12传递到聚焦光学部件2。箭头13表示出投影光学部件2的移动方向。

图5示出了根据本发明的装置的一种实施例的示意图。该装置20包括(未示出的)辊容纳设备，其配置用于容纳辊22。辊容纳设备在此构造为用于转动辊22的旋转装置。此外，装置20还包括脉冲的激光源24以及光学系统26，该光学系统设置用于将从激光源24产生的激光脉冲对准到辊22的表面上。为此目的，光学系统26包括扫描仪，通过该扫描仪将激光脉冲以辊22的横向方向对准到不同的加工场。

此外，装置20还包括光学元件28，其中特别涉及到的是衍射的光学元件或者空间光调制器。通过该光学元件能够修改由激光源24产生的激光脉冲的强度图形并且修改通过激光脉冲照射在辊22的表面上的加工场，特别是根据最大平均功率来扩大和/或这样匹配该加工场，即，得到最佳剥除注量。

图6a-c示出了以不同的剥除比例α而通过各一个激光脉冲照射出的加工场的示意图。

图6a首先示出了在辊22的表面上的加工场，该加工场通过激光脉冲来照射，其强度图形并不通过光学元件28来改变。加工场在该实施例中以侧边长度I_a而平方。相应的激光脉冲具有基本上恒定的强度分布，从而在加工场的整个面积上进行激光剥除(图6a中的阴影面积)。剥除比例α在该面积的情况下因此为数值1。

通过利用光学元件28而对激光脉冲的空间上的强度图形的修改，强度分布能够在激光脉冲以内这样改变，即，得到所照射的加工场的结构化。特别是，激光脉冲能够具有包含强度最小值的部分区域，从而使得在辊表面上的加工场的相应区域内不进行任何激光剥除。因此图6b和6c示出了与照射的加工场相应的实施例，这些加工场具有各一个其中进行激光剥除的外部区域(阴影部分)以及各一个其中不进行任何激光剥除的内部区域(非阴影部分)。剥除比例α在图6b的情况下为0.5并且在图6c的情况下为0.3。

如图6b和6c中示出的，能够通过由光学元件28而对空间上的强度图形进行的修改在辊表面制造出结构尺寸，这些结构尺寸的范围比通过激光脉冲照射的加工场的尺寸更小。

此外，通过光学元件28而引起了照射的加工场的扩大，从而能够以激光脉冲照射更大面积。照射的加工场的尺寸能够特别根据剥除比例α而调整。如果在图6a中示出的以α＝1而照射出的加工场具有范围I_a，那么具有更小剥除比例α的相应的加工场则能够具有以因数而增大的范围，而无需为此减小进行剥除的区域中的强度。

照射的加工区域的尺寸以及激光脉冲的空间上的强度图形通过光学元件28而这样进行匹配，即，在进行了激光剥除的部分区域内的注量处于最佳的剥除注量Φ_o的范围内。

以这种方式，在可转换的重复率f_rep的情况下的激光的最大平均功率P_m能够用于辊表面的加工。为了确保尽可能快速的加工，所照射的加工场优选地尽量无重叠并且无间隙相邻地在辊表面上定位，即，尽可能尺寸精确地相邻地照射加工场，以便于能够确保辊表面的期望的结构。

因此，优选这样地扫描辊表面，即，使得激光聚焦的偏转或偏移速率v_s，即，加工场位置(在该位置上，无关于由激光脉冲照射的加工场的面积A的侧面长度I_a以及重复率f_rep而调整辊表面)优选是如下地:

v_s＝l_a·f_rep, (4)

其中

在激光器的预设的最大平均功率P_m以及材料特定的理想的剥除注量Φ₀的情况下，面积A因此仅取决于重复率f_rep。因为为了达到期望的结构并不应该剥除加工场的全部面积，剥除比例α规定所期望的结构的应该剥除的一部分。

在图6a-c中剥除比例α从图6a到图6c减少，其中所剥除的面积(阴影)保持不变。由于减少的剥除的面积比例，由此使各个加工场的总面积A相应地增大。

针对在辊表面上的理想的定位，优选地以激光脉冲照射矩形的、特别是正方形的加工场。

最大的平均功率P_m以及重复率f_rep对扫描速度(即，激光在辊表面偏移或移动的速度)造成影响。在理想的定位的情况下，能够以没有值得注意的损失的条件下利用全部的激光功率。在此得到了理想的加工时间：

因此，加工时间t_w仅取决于辊表面A的最佳剥除注量Φ_o以及最大平均功率P_m。剥除比例α通过在辊上的期望的结构而确定。加工时间t_w因此无关于重复率f_rep，从而能在对于激光器而言可能的区域的范围内自由地选择重复率。激光器聚焦的偏转速率能够由此通过公式(4)来确定。

激光器的最大平均功率P_m由此确定出具有期望的结构的表面的加工时间t_w。平均功率P_m和重复率f_rep彼此脱离关联。因此能够在较小的重复率f_rep的情况下将激光器的最大平均功率实际上完全地用于辊表面的加工。这特别由此实现，即，通过激光脉冲照射的加工场的尺寸不再通过最小的、待施加的结构尺寸而限制。相反，照射的加工场的尺寸仅由光学元件28的分辨率而限制。换言之，加工场的面积仅以这样的程度增大，即，能以光学元件来解决两个结构元素的最小间距。

图7a示出了具有两个通过各一个激光脉冲而在没有旋转补偿的情况下照射出的加工场42、44的辊表面40的示意图。图7b示出了辊表面46的相应的示意图，该辊表面具有两个通过各一个激光脉冲以旋转补偿而照射的加工场48、50。

辊表面40或46通过激光剥除制造的结构(纹理)在图7a-b中通过由星形的结构元素52组成的均匀的格表示。最小结构尺寸、特别是在两个结构元素之间的间距小于各个通过激光脉冲照射的加工场42、44、48、50的范围。这在前述的装置中通过光学元件28实现，该光学元件这样修改这些单独的激光脉冲的空间上的强度图形，即，在各个辊表面40、46上得到在所照射的加工场42、44、48、50之内的结构化。

所照射的加工场42、44或48、50分别彼此横向地设置。由于在照射期间辊的转动，加工场44在图7a中相对于加工场42而以旋转方向错开。由此产生了在各个加工场中待制造的结构的相应的错开。为了实现在辊表面上的期望的结构，因此必要的是，使各个的激光脉冲的空间上的强度图形的修改相应地与所照射的加工场的相对位置相互独立地适配。

图7b示出了一种替代性的并且更不复杂的方法。通过预设的旋转补偿系统，在加工场48、50的照射中对辊的旋转进行补偿，从而使加工场理想地以没有在旋转方向上的错位的方式彼此相邻。为了实现辊表面的期望的结构，在该情况下能够在每个加工场48、50中制造相同的结构。

作为旋转补偿系统特别能够使用已知的扫描仪系统，因为为了旋转补偿而必要的偏转速率与辊表面的转动速度相对应并且因此是适当的。针对加工场位置在横向上的错位，优选地使用更快的扫描仪，因为扫描仪必须有效地达到公式(4)中所要求的偏转速率。优选地，也能够使用一个扫描仪系统，为了这两个偏转移动(即，转动方向和横向)而配置该扫描仪系统。

图8示出了以没有旋转补偿的方式(图8a)和以旋转补偿的方式(图8b)而通过一系列的激光脉冲照射的加工场的示意图。加工场照射的顺序在图8a-b中分别通过增大的数序1-5而给出。光学系统在横向上移动辊表面上的加工场的位置并且照射出在横向上的这样一列加工场(加工场1至4)，直到通过辊转动而以加工场的侧边长度移动辊表面。随后继续以旋转方向上错位的一列(加工场5)进行照射。