用于以激光辐射加工工件的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于以激光辐射加工工件(110)的方法，特别是用于激光烧蚀。提供至少一个激光束(130)，所述激光束借助于至少一个可变的射束成形装置(132)影响。所述激光束(130)接着射在所述工件(110)的至少一个加工面(112)上。借助于所述射束成形装置(132)给所述激光束(130)在所述加工面(112)的位置上施加至少一个预给定的可调节的射束轮廓(116，118，120)。
【专利说明】用于以激光辐射加工工件的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于以激光辐射加工工件的方法和设备。这种设备和方法可以特别是用于在材料中去除三维的微几何形状。没有其它可能的应用实例的限制的情况下，例如可以对此参照在制造金属式表面结构(例如为了改善摩擦属性)时、在制造喷嘴时、或者在制造陶瓷式传感器元件(例如氧气传感器或者其它类型的陶瓷式气体传感器)时的激光烧蚀技术。也可以想到这种激光烧蚀技术的大量的其它应用。
【背景技术】
[0002]特别是具有超短激光脉冲(UKP)的激光被用于材料去除。被称为超短脉冲激光特别是这样的激光:该激光放射出具有在皮秒和飞秒或者更短的范围内(例如最大为100皮秒、优选最大为10皮秒的脉冲持续时间)的脉冲宽度的脉冲式激光光线。只要脉冲能量不是太高，这种超短脉冲激光能够实现特别是几乎无熔化物并且无毛刺的材料去除部。待去除的几何形状在此在现有技术中一般通过可自由编程的扫描系统来预给定。在此，所述几何形状利用具有小的光束直径的激光束在工件上去除进而块状地和层状地去除。
[0003]但是在很多情况下的实践中，复杂的并且特别是三维的几何形状的去除需要无利可图的长的过程时间。一般仅仅通过提高去除率可以缩短过程时间。提高去除率大多要求平均激光功率Pav = Ep.fp的提高。在此，Pav称为平均激光功率，Ep称为单个脉冲的脉冲能量，并且fp称为脉冲频率。如果仅仅通过脉冲能量Ep的提高来实现在相同的光学成像系统中的功率提高，然而则通常会失去近似无熔化物并且近似无毛刺的去除部的优点。
[0004]为了在去除率提高的情况下获得加工精度，因此在实践中一般需要的是，在恒定的脉冲能量中提高重复率或者脉冲频率fp。同时为了获得近似无熔化物的去除部，然而在工件上的各个脉冲的脉冲重叠必须至少基本上保持恒定。因此，在实践中大多必须使激光束在工件上的进给速度与重复率成比例地提高。
[0005]但是传统的扫描器(大多与聚焦光学器件以及特别是这些聚焦光学器的焦距相关)一般由于扫描镜的动力在该扫描镜的轨迹速度方面被限制。为了能够使用具有高重复率的快速光束源以提高体积去除部，因此许多在市场上可供使用的光束偏转系统(例如所谓的激光振镜)过慢。因此，用于以激光辐射加工工件的方法和设备是值得期待的，所述设备和所述方法一方面具有高的去除率并且另一方面能够实现高的加工精度。
【发明内容】
[0006]与此相应地，本发明提出一种用于以激光辐射加工工件的方法以及一种用于以激光辐射加工工件的激光加工设备。激光加工设备可以特别是设置用于执行根据本发明的方法，并且所述方法可以特别是在使用所建议的激光加工设备的情况下执行。关于以激光辐射加工可以特别是理解成激光烧蚀，也就是一种这样的方法:在该方法中，例如通过使工件材料的气化的方式实施所述工件材料的材料去除。与此相应地，激光加工设备可以特别是构造成激光烧蚀设备。
[0007]在所建议的方法中，提供至少一个激光束。与此相应地，激光加工设备具有至少一个激光源以提供至少一个激光束。激光束在所建议的方法中借助于至少一个可变化的射束成形装置来影响并且接着射到工件的至少一个加工面上。借助于射束成形装置给激光束在加工面的位置上施加至少一个预给定的可调节的射束轮廓。
[0008]关于激光成形装置应在本发明的框架内原则上理解成任意的这样的设备:所述设备设置用于调节激光束在加工面的位置上的射束轮廓。特别是在这种调节中可以在至少两个、优选至少三个、四个、五个或者更多射束轮廓之间选择，和/或所述射束轮廓可以被自由调节。这种调节可以以多级或者无级地进行。关于射束轮廓在此可以特别是理解成在加工面的位置上的局部强度分布。
[0009]关于加工面通常可以理解成工件的对于激光束可触及的表面。在该方法期间可以使所述加工面变化，因为例如可以实现材料去除并且所述加工面因此可以在多个方法步骤之间朝工件的内部位移。所述加工面可以是一体的，但是也可以由多个分面共同组成。
[0010]射束成形装置可以特别是设置用于在加工面上产生至少两个不同的图样，该图样包括照射区域和非照射区域。关于图样在此理解成:在至少两个维度中不同照射区域的可调节的次序、例如照射区域和非照射区域的可调节的次序。例如，在所述图样中可以在至少两个不同的照射区段(例如至少两个照射和非照射区段)的每个空间方向上交替。照射区域和非照射区域的图样可以包括圆的、椭圆的、矩形的和特别是方形的图样，从而例如照射区域形成圆的(特别是圆形的或者椭圆的)和/或矩形的(特别是方形的)区域，在所述区域内部例如可以实现材料去除。
[0011]该方法特别是可以如此执行，使得包括照射区域和非照射区域的至少两个不同的这种图样依次产生。在两个不同图样之间的变换中，在不同图样的照射区域中的积分通量保持基本上不变。积分通量H在此通常理解成激光能量的面密度。“基本上不变”例如可以理解成等同，其中，例如积分通量中不大于+/_30%、特别是不大于+/_20%、并且特别优选地不大于+/-10%的偏差在变换图样时还是可容忍的。但是，在两个不同图样之间的变换(在所述变换中所述积分通量变化)原则上也是可以的。
[0012]射束成形装置涉及到其它可能的构型。如上所解释，所述设备原则上是任意的这样的设备:该设备能够实现在加工面的位置上的射束轮廓的调节。特别的是，射束成形装置可以包括变化元件的矩阵，其中，变化元件设置用于使激光束射到该变化元件上的组成部分在该激光束的相位和/或振幅和/或强度方面变化。也就是说，变化元件可以设置用于，(例如在垂直于激光束的光学轴的平面中)使一个或多个表征激光束的参数(例如从由相位、振幅、强度和偏振组成的组合中选出的一个或多个激光参数)局部地变化。关于矩阵在此通常理解成变化元件的至少二维的区域，所述区域例如可以通过坐标系表征。例如，在此可以涉及到笛卡尔坐标系或者极坐标系。因此，在矩阵中例如在坐标系的每个空间方向上可以设置至少两个上述的变化元件。矩阵例如可以在这样的平面中展开:例如垂直于激光束的光学轴的平面。所述矩阵例如可以是矩形矩阵，其中，在每个空间方向上设置至少两个变化元件。替代地或者附加地，也允许圆的特别是圆形的矩阵，其中，变化元件例如设置成环形的。射束成形装置原则上也可以是其它构型。
[0013]激光束可以与射束成形装置的矩阵以不同方式来交替作用，这些方式与变化元件的构型相关。例如，激光束可以穿过所述矩阵，从而例如可以使用透射式射束成形装置。替代地或者附加地，然而所述矩阵也可以具有完全或部分反射的属性，从而所述射束成形装置的矩阵例如也可以反射式使用。
[0014]这样的变化元件在实践中原则上是已知的:所述变化元件设置用于，使激光束的相位和/或振幅和/或强度局部地变化，例如用于在加工面的位置上产生预给定的图样。因此可以例如借助于可切换的变化元件的矩阵来产生相位移动，其中，变化元件例如由于可切换的双折射的属性和/或由于可切换的电光学效应(例如一阶和/或二阶的电光学效应)可以造成相位移动。为了这个目的，例如可以使用双折射的和/或电光学的材料(例如所谓的泡克耳斯单元和/或克尔单元)。替代地或者附加地，也可以使用例如声光学效应。变化元件可以被激光束一次或者多次地穿过。变化元件也可以与一个或多个其它元件(例如滤波器和/或偏振滤波器)共同作用。例如变化元件也可以使激光束的偏振方向局部地变化，从而例如在射束成形装置的位置上的激光束内部产生具有不同偏振方向的区域的图样。偏振方向可以例如通过相应偏振旋转的元件、例如通过光学活性材料(如液晶和/或无机光学活性晶体和/或糖)影响。变化元件的这种矩阵可以单独使用或者与其它元件共同作用，以便例如在加工面的位置上产生强度图样，所述变化元件可以影响偏振和特别是偏振方向并且可以以这种方式在激光束中产生不同偏振方向的图样。因此可以例如局部在射束成形装置的位置上调节偏振方向的图样，其中，例如在射束成形装置与工件或加工面之间可以设置一个或多个偏振方向选择元件(例如二色性的镜和/或偏振滤波器和/或偏振分束器)。以这种方式例如借助于射束成形装置以及在那里实现图样施加的、激光束中的确定的光学参数可以在加工面的位置上产生强度图样。所述强度图样可以特别是可自由调节的。
[0015]变化元件可以特别是可电子控制的。这可以特别是根据已知的原理实现，因为例如上文提到的电光学效应是可电子控制的。替代地或者附加地，(也例如由液晶显示已知)通过电场的变化实现偏振旋转。也可以考虑可电控制的变化元件其它类型，其方式例如是:变化元件可以包括可电控制的微镜的矩阵、特别是基于半导体材料(例如所谓的MEMS)可根据微系统技术的方法制造。
[0016]变化元件和变化元件的矩阵可以特别是可借助于像素图样来控制，也就是说，借助于这样的图像图样(优选是数字式图像图样):所述图像图样例如可以借助于数据处理设备预给定。例如可以在电脑上自动地或者手工地产生这种图像图样，所述图像图样于是可以例如借助于相应的控制来传递到变化元件的矩阵上。
[0017]借助于变化元件可以特别是在垂直于激光束的光学轴的平面中产生与位置相关的相位调制的图样。该图样可以例如由多个区域组成，这些区域在至少二个维度中彼此邻接，其中，在不同的区域中，激光束的相位位置能够分别可自由调节或者可在预给定的范围内调节。以这种方式可以在垂直于激光束的光学轴的平面中产生相位图样。此外，在该方法中可以在射束成形装置与加工面之间使用至少一个聚焦元件(例如至少一个透镜和/或至少一个具有聚焦属性的镜)。这种聚焦元件可以特别是变换地作用，从而在射束成形装置的位置上的与位置相关的相位调制的图样变换成在加工面位置上(也就是在加工面上)的与位置相关的强度调制的图样。这种变换例如通过这样的方式发生:例如借助于变化元件的矩阵给经校准的和/或经均匀化的激光束在射束成形装置的位置上施加上述的相位图样，所述相位图样于是通过借助于聚焦元件的聚焦来通过在此进行的傅里叶变换在加工面上变换成相应的强度图样。
[0018]射束成形装置可以特别是具有所谓的空间光调制器和/或具有至少一个微镜系统。关于空间光调制器一般理解成用于光在空间上的调制器，所述调制器设置用于，给光在空间上(例如在垂直于光的传播方向的平面中)进行调制。如上文所解释，所述调制涉及到一个或多个参数(相位、振幅、强度和偏振)的局部变化，从而参数的值例如与在垂直于传播方向的平面中的位置相关。特别是涉及到可电控制的空间光调制器。空间光调制器例如可以具有变化元件的二维的(例如矩形的)矩阵，例如根据上述的说明。空间光调制器可以例如透射和/或反射式运行。特别的是，空间光调制器可以具有液晶元件的矩阵，所述液晶元件可以单个地或者以组的形式被电控制，并且所述液晶元件设置用于，有针对性地影响所述激光束的穿过相应的液晶元件的那些组成部分的相位位置和/或偏振。以这种方式例如(如上所述)借助于空间光调制器给激光束在垂直于激光束的传播方向的平面中的射束成形装置的位置上施加相位位置图样。
[0019]射束成形装置可以特别是可电子控制的，其中，通过所述电子控制使射束轮廓可调节(特别是可自由调节)，其方式例如是:可以针对射束成形装置的电子控制来预给定图像图样，根据所述图像图样于是可以实现在射束成形装置的位置上的激光束的一个或多个上文提到的参数的与位置相关的影响，其方式例如是:给激光束在垂直于激光束的传播方向(也称为光学轴)的平面中以一个或多个上述参数(相位、振幅、强度和偏振)施加图样，从而所述参数在上述平面中与位置相关。
[0020]激光束可以特别是在射到射束成形装置上之前被扩张。特别是在射束成形装置之前(例如在激光源与射束成形装置之间)设置至少一个光学设备，所述光学设备使激光束扩张和/或所述光学设备使激光束均匀。这可以例如借助于相应的透镜系统以简单的方式实现。
[0021]激光束可以特别是在经过射束成形装置之后聚焦，其方式例如是:使所述激光束聚焦到加工面上。当射束成形装置设置用于在该射束成形装置的位置上给激光束施加相位图样(所述相位图样于是如上文所解释地通过聚焦而在加工面的位置上变换成强度图样)时，所述方法的构型特别是有利的。
[0022]替代或者附加地，然而该方法也可以如此执行，使得射束成形装置例如设置用于在射束成形装置的位置上产生强度图样。在这种情况下特别优选的是，在射束成形装置与加工面之间设置至少一个成像系统，其中，成像系统例如设置用于:将在射束成形装置的位置上的强度图样变换成在加工面的位置上的相应一致的、放大的或者缩小的强度图样。这种成像系统可以例如包括一个或多个镜头。
[0023]在执行该方法期间，可以特别是改变所述射束成形装置。因此，该方法可以特别是包括一顺序，该顺序具有至少两个不同的照射步骤、优选至少三个不同的照射步骤或者更多个不同的照射步骤，其中，在所述不同的照射步骤中，以激光束的不同的射束轮廓照射工件的加工面。例如可以规定:第一照射步骤，在该第一照射步骤中，激光束在加工面的位置上具有第一直径和/或等效直径和/或第一几何形状；至少一个第二照射步骤，在第二照射步骤中，激光束在加工面上具有这样的射束轮廓，该射束轮廓具有不同于第一直径的第二直径和/或等效直径和/或不同于第一几何形状的几何形状。以这样的方式可以通过上述的顺序例如依次地进行以不同射束轮廓的去除，从而该方法一般可以用于制造三维表面。
[0024]射束轮廓可以特别是分别在加工面上形成包括照射区域和非照射区域的图样、特别是像素图样。在照射步骤中可以分别以不同的方式来控制变化元件的矩阵，特别是可以根据上述的可能性方案构造的变化元件的矩阵。
[0025]在不同的照射步骤中可以例如分别在工件的不同的平面中将不同几何形状的和/或不同深度的孔引入到工件中。因此，该方法特别是可以用于三维地表面构型。
[0026]所述激光加工设备涉及其它可能的构型。因此，激光加工设备可以特别是具有控制器(特别是具有至少一个数据处理设备的控制器)，其中，所述控制器例如可以如此给射束成形装置编程，使得在加工面的位置上的射束轮廓可自由编程。例如可以借助于控制器给在加工面的位置上的射束轮廓施加图样、例如强度图样。
[0027]如果激光加工设备具有至少一个控制器，则控制器特别是设置用于执行一顺序，该顺序具有至少两个不同的照射步骤，其中，在至少两个不同的照射步骤中，以激光束的不同的射束轮廓照射工件的加工面。
[0028]激光源可以特别是包括至少一个脉冲式激光、特别是至少一个短脉冲激光和特别优选至少一个根据上述定义的超短脉冲激光。
[0029]如上文所解释，射束成形装置可以特别是所谓的空间光调制器，所述空间光调制器可以透射式和/或反射式运行。
[0030]特别的是，射束成形装置可以具有变化元件的至少一个矩阵，所述矩阵设置用于在垂直于激光束的光学轴的平面中(也就是在垂直于在射束成形装置的位置上的激光束的传播方向的平面中)产生激光束的不同参数的区域的图样。特别的是，射束成形装置可以设置用于，在射束成形装置的位置上产生强度图样。在这种情况下特别优选的是，激光加工设备在射束成形装置与工件的加工面之间具有至少一个成像系统，其中，在射束成形装置的位置上的强度图样在加工面上成像为相应的强度图样，其中，被成像的图样可以包括一致的图样、放大的图样或者缩小的图样。
[0031]替代或者附加地，激光加工设备也可以如此设置，使得射束成形装置(如上文所解释地)在垂直于激光束的光学轴的平面中产生相位图样，从而例如可以产生在激光束的不同相位或者相位位置(两个概念在这里同义地使用)的区域上的矩阵。在这种情况下特别优选的是，激光加工设备在射束成形装置与工件的加工面之间具有至少一个聚焦元件，从而在射束成形装置的位置上的相位图样变换成在加工面的位置上的强度图样。也就是说，激光加工设备通常可以在射束成形装置与工件之间具有至少一个聚焦元件和/或至少一个成像光学器件、例如至少一个镜头。
[0032]此外，激光加工设备可以在射束成形装置与工件之间具有至少一个遮光件。借助于所述遮光件(例如光阑式遮光件)可以使激光束的不期望的组成部分保持远离工件。
[0033]此外，激光加工设备可以具有至少一个保持部以重新接收工件。该保持部可以在预给定的位置上固定所述工件和/或也可以设置用于将所述工件相对于激光束来定位和/或取向。例如保持部可以为了这个目的具有至少一个定位设备，该定位设备例如具有一个或多个执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。相应地，激光加工设备的整体光学器件例如可以刚性地构造，从而例如可以仅仅使工件相对于激光束定位和/或取向。但是替代地或者附加地，激光束也可以构造成可运动的和/或可定位的和/或可取向的，其方式例如是:激光加工设备具有一个或多个定位激光束的元件(例如一个或多个可运动的镜、例如一个或多个上述的激光振镜)。
[0035]该方法可以特别是如此执行，使得实现工件材料的激光去除(激光烧蚀)。优选地，该去除如此实现，使得不发生工件材料的熔融或者基本上不发生这种熔融。在加工面的位置上的射束轮廓可以相应地如此调节，使得该射束轮廓具有包括照射区域和非照射区域的图样，其中，在照射区域中，激光束的强度处于针对材料的蒸发所需的强度之上，然而在非照射区域中，所述激光束的强度处于针对材料的蒸发所需的强度之下，从而例如不会出现这样的区域:在所述区域中，激光束的强度处于针对材料的熔化所需的强度阀值与针对材料的蒸发所需的强度阀值之间。但是，仅仅在照射区域与非照射区域之间的过渡区域中可以出现这种情况:其中，所述的这些区域然而优选保持得很小，从而待产生的结构的边缘的熔化部可以保持得很小。该方法可以特别是如此执行，使得可以执行快速地光束形状变换(也就是说，在加工面的位置上的射束轮廓的快速变换)。这可以特别是(如上文所解释)通过可自由编程的空间光调制器来实现。
[0036]所建议的方法和所建议的激光加工设备以一个或多个上述的构型相对于已知的设备和方法上述类型具有众多的数量。替代扫描方法(在该方法中，工件的加工面的按顺序地并排的区域被扫描)可以借助于所建议的方法特别是在待加工的工件上借助于灵活的射束成形装置实现完全的或者部分的几何形状。以这种方式，射束轮廓可以如此成形，使得在加工面的位置上(例如在加工平面中)相应于期望的去除几何形状。因此，例如可以每激光脉冲在纳米至微米范围内去除期望的形状的整个层。特别是可以在所建议的方法中(以快速任意的几何形状)允许“激光冲压”，其中，可以实施精确的去除。
[0037]在所建议的方法中可以特别是至少近似无熔化物地保持工件的材料的去除。为了这个目的(如上文所解释)激光束的积分通量H保持恒定。因为，脉冲能量Ep—般利用加工部位的面积Asptrt由公式Ep = Aspot.H得出，因此一般可以没有缺点地利用比在传统方法明显大的脉冲能量来加工。同时,每脉冲的去除体积增加，并且加工可以相应地比通过激光束来扫描更快。然而，尽管如此也可以附加地使用扫描方法，如上文所解释。
[0038]在加工面的位置上的灵活的射束成形可以(如上文所解释)特别是通过空间光调制器的像素的控制以简单且可靠的方式实现。对于多级的几何形状，因此可以利用可编入程序的光束形状例如去除第一平面。然后于是可以(例如通过空间光调制器的程序改编)以其它光束形状来嵌入相应的其它级。由此，一般可以在本发明的框架中通过相应的控制(例如空间光调制器的可编程的控制)以至今未实现的速度来精确地制造复杂的三维的几何形状。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]在下面的实施例和附图中示出了本发明可能构型的其它细节和特征。本发明不限于这些实施例和附图。
[0040]其示出了:
[0041]图1:根据本发明的出于三维地激光烧蚀目的用于以激光辐射加工工件的方法的一个实施例；
[0042]图2:根据本发明的激光加工设备的第一实施例；和
[0043]图3:根据本发明的激光加工设备的第二实施例。
【具体实施方式】
[0044]在图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。在该方法中，以图1中未示出的、具有至少一个激光束的激光辐射来加工工件110，其中，在此示例性地进行激光烧蚀。在所示的实施例中,激光烧蚀在工件110中产生三维的几何形状114，所述几何形状在图1中以局部剖视图示出。该方法也可以称为用于产生三维几何形状114的“激光冲压”。
[0045]在所建议的方法的实施例中，该方法包括一至少两个不同的照射步骤的顺序其中，在图1中象征地示出三个不同的照射步骤。在这些可以被依次执行的照射步骤的每一个中，工件110分别被激光束的不同的射束轮廓照射。示例性地，在图1中示出三个不同的射束轮廓116、118和120。在射束轮廓116-120的每一个中，加工面112的位置上的激光束具有照射区域122和非照射区域124的图样。但是原则上，加工面112的位置上的其它射束轮廓也是可能的。例如，在图1中分别示出射束轮廓在图1中所示的工件110剖切平面中的强度分布，其中分别示出强度I与位置X的关系。该方法特别是可以如此执行，使得强度I在照射区域122中处于烧蚀阈值之上、例如工件110的材料的气化阈值之上，然而所述强度在非照射区域124中处于工件110的材料的熔化阈值之下。
[0046]射束轮廓116-120可以例如在其直径和/或等效直径和/或几何形状方面有所区另O。因此，射束轮廓116-120例如示例性在图1中以该次序具有减小的直径或等效直径。此外，在射束轮廓116-120右边表示出这些射束轮廓可以具有不同的几何形状。因此，第一射束轮廓116以及第三射束轮廓120例如可以在俯视图中具有圆的几何形状，然而第二射束轮廓118例如在示例性示图中可以具有方形的几何形状。相应地，在该实施例中根据图1产生级几何形状，所述级几何形状通过去除面1、2和3表示。因此第一级(记为I)相应于用第一射束轮廓116执行第一照射步骤之后的状态，示意地记为2的级相应于用第二射束轮廓118执行第二照射步骤之后的状态，并且数字3相应于用第三射束轮廓120执行第三照射步骤之后的状态。
[0047]在根据本发明的方法中的灵活的射束成形可以原则上以不同的方式实现，其中，在所有情况中使用至少一个射束成形装置用于在加工面112的位置上产生可调节的射束轮廓。根据本发明可使用的激光加工设备126的第一实施例在图2中示出。激光加工设备包括至少一个仅在图1中示出的激光源128以提供至少一个激光束130。该激光束可以例如被校准和/或均匀化。如图所示，激光束130 (特别是经校准的激光束130)可以例如具有高斯型的强度轮廓。
[0048]此外，激光加工设备126具有至少一个射束成形装置132，所述射束成形装置设置用于在工件110 (仅在图2中示出)的加工面112的位置上产生可调节的射束轮廓。在图2中示例性地示出三个射束轮廓，通过数字1、2和3标记，又以强度I的强度分布的形式作为位置X的函数，例如作为垂直于激光束130的光学轴134的位置坐标的函数。例如可以产生具有照射区域和非照射区域的数字化级轮廓(例如参见强度分布I)，或者也可以产生具有多个级的区域(例如参见强度分布3)。
[0049]射束成形装置132可以以不同的方式构造。在图2中示出一个实施例，其中，该射束成形装置132包括所谓的空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM) 136。空间光调制器可以例如在所示实施例中如此构型，使得该空间光调制器沿着垂直于光学轴134的方向借助于变化元件140的相应矩阵138提供所述激光束130的与位置相关的相位调制的图样。例如可以以这种方式(相应于矩阵138)在垂直于光学轴134的平面中相应产生所述射束成形装置132的位置上的激光束130的不同相位位置的区域。在工件110与射束成形装置132之间可以设置至少一个聚焦元件，也就是至少一个这样的元件:该元件设置用于，将激光束130在射束成形装置132的位置上的不同相位位置的图样转化成在加工面112的位置上的强度分布图样。例如聚焦元件142可以是至少一个透镜144。聚焦元件142(在物理上考虑)可以执行所述射束成形装置132的位置上的相位位置图样的傅里叶变换，从而加工面112的位置上的强度I作为激光束130在射束成形装置132的位置上的傅里叶变换得出。在聚焦元件142与加工面112之间可以可选地设置一个或多个遮光件146，例如用于抑制干扰辐射和/或避免不期望的边缘效应。
[0050]射束成形装置132可以例如通过激光加工设备126的至少一个控制器148控制，从而加工面112的位置上的强度分布的图样可以通过矩阵138的相应调整(例如通过相应的电控制)调节。
[0051]在空间光调制器136中，用于图样的各个图像点的相位滞后能够借助于矩阵138通过电控制可在矩阵138的每个像素中个别地调节。这可以例如通过液态晶体和/或通过电光学效应实现。在该相位元件之后，激光束130通过聚焦透镜144和/或其它类型的聚焦光学器件汇聚，所述聚焦光学器件作为聚焦元件142起作用。通过相位调制和聚焦的结合，在激光加工设备126的工作平面中(工件110的加工面112可以设置在所述工作平面中)根据形成相位的空间光调制器136的调节得出其它强度分布。空间光调制器136针对工作平面中的强度分布的期望形状的调整可以例如提前通过波动光学的模拟来确定和/或可以通过测量射束成形结果根据经验地或者也在线地求取或者改良。干扰的功率份额(所述功率份额可能在其它偏转角度的情况下从光学系统中逸出)可以在需要时通过至少一个遮光件来屏蔽工件110。
[0052]替代或者附加于图2中示出的激光加工设备126和/或射束成形装置132的构型，根据本发明也可以使用其它设备。因此，在图3中示出原则上与图2类似的实施例，所述实施例可以基本上通过射束成形装置132的构型来区分。在这种情况下，射束成形装置132使用多个变化元件140，所述变化元件例如可以在垂直于光学轴134的平面中产生激光束130的强度分布的图样。一般可以例如通过每个变化元件140 (也就是矩阵134的每个像素)的强度的调制在激光束130经过所述射束成形装置132之前的原始光束中产生任意的光束分布。在此，不适用于期望的射束轮廓的功率份额在空间上被切削或者被局部地减弱。例如，矩阵138的单个像素可以换成可透光的，其它又换成不可透光的。射束成形装置132又可以例如通过控制器148控制。矩阵138的图样可以例如(在考虑相应的扭曲和/或放大和/或缩小的情况下)基本上相应于加工面112上的待去除的区域150的图样。相应地，借助于控制器148预给定的用于矩阵138的图样也可以基本上在其构型方面与待去除的区域150的几何形状相关。借助于矩阵138的可透光的像素，因此可以产生去除。在射束成形装置132的位置上垂直于光学轴134的平面中的强度分布可以借助于相应的成像光学器件152 (例如借助于镜头和/或类似的成像设备)成像到加工面112上，从而在加工面112上产生由矩阵138产生的、强度分布的图样的成像。该成像可以从其几何形状和/或尺寸方面看来与矩阵138的位置上的图样一致，然而也可以放大、缩小或者扭曲。可以考虑不同的构型。
[0053]因此，空间光调制器136例如可以如同由可自由编程的遮光件几何形状与可自由编程的减弱器几何形状的组合那样起作用。除了由于经切削的光束区域所导致的大的功率损失之外，然而在空间光调制器上在很多情况下也由于遮光件的棱边上的衍射产生干涉效应，所述干涉效应在图3中未示出。通过在遮光件之后将强度分布的几何光学地成像到工件表面上、也就是到加工面112上(中继成像)，可以使得工件110上的强度分布的可自由编程的几何形状被用于加工。因此，在成像平面中(在所述成像平面中设置所述加工面112)将衍射对过程的影响最小化。为了通过遮挡光束份额来最小化通常不可避免的功率损失，特别是可以使用经均匀化的激光束130。经均匀化的激光束130可以特别是恰好如此大，使得所述经均匀化的激光束超过遮光件的自由孔径地辐射。此外，激光束130为了避免由于矩阵138的各个像素的部分减弱所导致的功率损失来如此构造，使得该激光束不具有高斯轮廓，而是可以在空间光调制器136之前已经通过原始光束的射束成形来均匀化或者已经均匀地由激光源128发射。
【权利要求】
1.一种用于以激光辐射加工工件(110)的方法，特别是用于激光烧蚀，其中，提供至少一个激光束(130)，所述激光束(130)借助于至少一个能够变化的射束成形装置(132)来影响，所述激光束(130)接着射在所述工件(110)的至少一个加工面(112)上，借助于所述射束成形装置(132)给所述激光束(130)在所述加工面(112)的位置上施加至少一个预给定的能够调节的射束轮廓(116,118,120)0
2.根据上一个权利要求所述的方法，其中，所述射束成形装置(132)设置用于，在所述加工面(112)上产生至少两个不同的图样，所述图样包括照射区域和非照射区域(122,124),当在两个不同的图样之间变换时所述照射区域(122)中的积分通量基本上保持不变。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述射束成形装置(132)具有变化元件(140)的矩阵(138),其中，所述变化元件(140)设置用于使所述激光束(130)射到所述变化元件(140)上的组成部分在其相位和/或振幅和/或强度和/或偏振方面变化。
4.根据上一个权利要求所述的方法，其中，借助于所述变化元件(140)在垂直于所述激光束(130)的光学轴(134)的平面中产生与位置相关的相位调制的图样，借助于至少一个聚焦元件(142)使所述与位置相关的相位调制的图样在所述加工面(112)上变换成与位置相关的强度调制的图样。
5.根据上两个权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于所述变化元件(140)在垂直于所述激光束(130)的光学轴的平面中产生与位置相关的强度调制的图样，借助于至少一个成像光学器件(152)使所述与位置相关的强度调制的图样在所述加工面(112)上成像为与位置相关的强度调制的图样。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述射束成形装置(132)包括至少一个空间光调制器(136)和/或至少一个微镜系统。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括一顺序，该顺序具有至少两个不同的照射步骤，其中，在所述不同的照射步骤中，以所述激光束(130)的不同射束轮廓(116,118,120)照射所述工件(110)的加工面(112)0
8.根据上一个权利要求所述的方法，其中，在所述不同的照射步骤中，所述射束成形装置(132)的变化元件(140)的矩阵(138)分别被以不同的方式控制。
9.根据上三个权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述不同的照射步骤中，分别在所述工件(110)的不同平面中将不同几何形状和/或不同深度的孔引入到所述工件(110)中。
10.一种用于以激光辐射加工工件(110)的激光加工设备(126)、特别是激光烧蚀设备，其中，所述激光加工设备(126)具有至少一个激光源(128)以提供至少一个激光束(130),其中，所述激光加工设备(126)如此设置，使得所述激光束(130)射在所述工件(110)的至少一个加工面(112)上，所述激光加工设备(126)还具有至少一个射束成形装置(132)以影响所述激光束(130),所述射束成形装置(132)设置用于给所述激光束在所述加工面(112)的位置上施加至少一个预给定的能够调节的射束轮廓(116,118,120).
11.根据上一个权利要求所述的激光加工设备(126),其中，所述激光加工设备(126)具有至少一个控制器(148),所述控制器(148)设置用于执行一顺序，该顺序包括至少两个不同的照射步骤，在所述不同的照射步骤中，以所述激光束(130)的不同的射束轮廓(116,.118,120)照射所述工件(110)的加工面(112)。
12.根据上述涉及到激光加工设备(126)的权利要求中任一项所述的激光加工设备(126),其中，所述激光加工设备(126)具有至少一个保持部以接收所述工件(110).
【文档编号】B23K26/064GK104302438SQ201380022703
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】U·格拉夫, R·高赫 申请人:罗伯特·博世有限公司