用脉冲激光束加工工件的方法和激光装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及用脉冲激光束加工工件的方法和激光装置。
【背景技术】
[0002]用脉冲激光束加工工件的方法由DE10333770A1已知。
[0003]在用脉冲激光束加工工件时，在激光束的激光脉冲具有的脉冲持续时间小于 20ps、尤其是处于飞秒范围内时，会出现在使用更长脉冲持续时间的激光脉冲时不被观察 到的现象。如果用这样的超短波激光脉冲进行材料去除，可能发生，在工件的加工表面出现 所谓的纳米波纹的结构，其相互间隔大体与使用的波长相当。这种结构产生的原因是入射 辐射和出射辐射之间的干涉以及与固体的交互作用。入射辐射首先与固体内的电子发生相 互作用，产生靠近表面的电子的密度变动(等离子体-极化-交互作用）。反射的辐射部分在 此可以通过以这种方式激发的密度变动而被附加地调制。这导致横向变化的吸收以及横向 变化的相位波前。与之相应，激光辐射可以包括横向的干涉图案。在使用的激光脉冲的脉冲 持续时间小于20ps时，而且将激光束持续引到加工表面上，也会发生这种效果，这是因为在 一般的或当前技术可实现的进给速度下，激光束充其量移动一段明显小于激光束波长的距 离。
[0004] 此外，从M.Zukamoto等人的Journal of Physics:Conference Series 59(2007)， 第666~669页可以得知：如果多个这样的高相关的激光脉冲在短的距离与时间间隔内重 叠，如在表面结构形成、切割及钻孔时，这种现象将可能持续出现并且对表面质量造成负面 影响。在此已证实，如果各个激光脉冲没有精确地出现在同一位置，就会形成这样的结构。 原因是，由第一个脉冲形成的结构将改变下一个脉冲的横向吸收，并且通过与部分扩散的 反射辐射的干涉，导致入射辐射的斑点形成加强(通过不同的结构，在相继的脉冲之间横向 改变吸收;通过改变的等离子体-极化-交互作用在脉冲期间横向改变吸收；以及在脉冲之 内形成斑点）。该结构以此种方式继续出现在工件表面上。
【发明内容】
[0005] 因此，本发明的目的在于，提出一种用脉冲激光束加工工件的方法，这种微结构的 出现用这种方法可以基本上防止，或者可以根据所需的处理结果进行影响。此外，本发明的 目的还在于，提出一种以这种方法运行的激光装置。
[0006] 关于方法，所述任务参照本发明用带有权利要求1的特征的方法得以解决。根据这 些特征，在加工工件期间，在一个激光脉冲的持续时间内和/或至少在两个在工件上至少部 分地彼此重叠的激光脉冲之间，非线性地改变光谱相位的横向分布。
[0007] 因此按照本发明，在单个的激光脉冲期间发生光谱相位的横向分布的改变，作为 替换或补充，改变在时间上彼此相继的在工件上至少部分彼此重叠的激光脉冲中存在的光 谱相位的横向分布，由此虽然在单个的激光脉冲之内横向分布没有改变，但可以确定，并非 所有用于加工的并且在工件上重叠的激光脉冲具有相同的光谱相位的横向分布。在后一种 情况下，并不一定要求，所有至少部分彼此重叠的激光脉冲关于它们的光谱相位横向分布 不同。原则上，如果加工程序如下进行，即多个激光脉冲至少部分彼此重叠时，例如冲击钻 孔的情况下，两个或更多个至少部分彼此重叠的激光脉冲也可以具有同样的光谱相位横向 分布。但原则上，如果光谱相位的横向分布在两个直接彼此相继且彼此重叠的激光脉冲之 间发生改变，用彼此重叠程度很大的在时间上直接彼此相继的激光脉冲进行冲击钻孔或激 光加工是特别有利的。在用多程法(多个至少部分彼此重叠的轨迹)去除材料时，在一个轨 迹上时间上直接彼此相继的激光脉冲也会彼此重叠。但是在这种情况下原则上也可能，一 个轨迹的所有激光脉冲具有同样的光谱相位横向分布，只有在轨迹切换时才发生改变，其 中，这也不是每一次轨迹切换都一定会改变横向分布。
[0008] 本发明的构想在于，光谱相位的横向分布或超短波激光脉冲的相位谱会影响在脉 冲内的入射与反射激光束或激光束部分的相关性，进而影响微结构或纳米波纹的出现和形 状。与此相应，激光脉冲的脉冲期间或持续时间内光谱相位的改变已经可以影响这种纳米 波纹的出现及构成。如果在此补充地或替代地至少在至少部分彼此重叠、在时间上彼此相 继的激光脉冲之间发生光谱相位横向分布的非线性改变，尤其是在所谓的多程法中，可以 在很大程度上避免出现Zukamoto等人描述的以及通过累积效应产生的不希望的结构。以此 方式，根据各种应用情景(例如大或小的粗糙度），可以达到高品质的去除结果，以及达到优 化适配于各种要求的表面特性。
[0009] 这样的调整例如可以通过改变脉冲能量或通过选择位于光程中并与激光束非线 性交互作用的光学介质进行，以便产生在相应地规定的处理参数下对于各种有意的应用力 求达到的表面质量。此外，这样的调整也可以通过将光学部件加入光程而进行，利用光学部 件可以对一个激光脉冲内或彼此相继的激光脉冲之间的非线性光谱相位的横向分布进行 有目的地控制，例如在与激光束非线性交互作用的光学介质之前加宽或缩窄激光束，和/或 使用可以在横向、即与光轴成横向的方向上调整地设置的并具有横向变化的非线性折射率 的光学介质。
[001 0]在此，如果通过改变B积分的横向分布以改变光谱相位的横向分布，可以特别地减 少这种纳米波纹的出现。
[0011] B积分或B积分值通过以下关系式定义：
[0012] B (z, r) - - I n21 (z. r)dz
[0013] 其中，z代表激光束沿光轴（中心轴线)经过的行程，I代表激光束的峰值强度，该值 取决于沿着光轴经过的行程z以及激光轴z的横向间距广11 2代表克尔系数或折射率的非线 性部分（以下简称为非线性折射率），n2通常也取决于z和r。在激光脉冲通过光学介质沿着 行程z传播后，在激光束的横向点r上的B积分值与经过的行程以及当前峰值强度成比例。该 B积分是激光脉冲与光学介质非线性交互作用的一个指标，也是累积的自相位调制的一个 指标。由于在光束横截面的一个点上的脉冲持续时间和脉冲形状取决于该处的光谱相位， 所以横向改变的B积分对应于一个在光束横截面上改变的脉冲持续时间和脉冲形状。
[0014] 为了缩小光谱相位的与强度相关的调制，例如原则上由美国专利US6，141，362已 知，采取措施以便在整个光束横截面上达到一个最小且尽可能恒定的B积分。该做法是，在 激光的光程上设置一种具有负非线性折射率的半导体材料，并且以这种方式产生一种负的 B积分，通过该负的B积分补偿被设置在光程中的激光放大器产生的正的B积分。不同于其中 建议的措施，本发明描述另一种途径，其方式为，有目的地将B积分调整为彼此在光束横截 面上相对不同的值，以通过这种方式影响入射与反射激光束的相关性，以及通过对带有径 向及时间变化的B积分的许多辐射取平均，减少出现在表面上的结构对比度。
[0015]在本发明的一个有利的实施方式中，通过使用激光脉冲的脉冲持续时间小于20ps 的激光束，激光束的光谱相位如此调整，即激光脉冲的B积分在遇到工件上时横向于光轴变 化，也就是说并非恒定不变的，并且值在-50弧度至+50弧度之间，其中尤其是调整为，在脉 冲持续时间小于l〇ps时，B积分的值在-20弧度至+20弧度之间，在脉冲持续时间小于2ps时， B积分的值在_5弧度至+5弧度之间。
[0016]通过对B积分的这种调整，可以在很大程度上避免纳米波纹或者减少纳米波纹的 形成，因为在这种情况下，激光辐射的相关性会受到影响，并且还通过对带有不同的径向和 时间变化的光谱相位的多个脉冲取平均值而减少结构的形成。
[0017]尤其是在进行冲击钻孔时，直接彼此相继的激光脉冲的光谱相位的横向分布改 变，其中，原则上所有激光脉冲的光谱相位的横向分布都可能不一样，也就是说，每个激光 脉冲可具有不同的光谱相位横向分布。
[0018] 在用多程方法进行激光去除时，其中，激光束多次沿着彼此重叠的路径移动，将光 谱相位的横向分布仅在更换轨迹时改变就足以，这样就可以用激光脉冲形成各个轨迹，其 中激光脉冲在这个轨迹内具有同样的光谱相位的横向分布。
[0019] 如果进一步改变激光脉冲的彼此重叠，此外还可以进一步减少这种不希望的表面 结构的出现。
[0020] 在一个有利的实施例中，在至少一个设置于光程中的与激光束产生非线性交互作 用的光学介质之前加宽或缩窄激光束，以进行这样的光谱相位的调整。
[0021] 关于激光装置，所述任务通过带有权利要求10的特征的激光装置解决。通过设置 用于改变激光脉冲的光谱相位的横向分布的器件、尤其是可控制的光束成形装置，能根据 各种特定的要求优化加工工艺。
[0022] 作为替换或补充，这种用于非线性改变的器件包括可横