▶ トルンプフ レーザー− ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-01-31
(54)【発明の名称】ワークピースをレーザ加工するための装置及び方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/064 20140101AFI20240124BHJP
【ＦＩ】
B23K26/064 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023544698
(86)(22)【出願日】2021-12-21
(85)【翻訳文提出日】2023-07-25
(86)【国際出願番号】 EP2021087159
(87)【国際公開番号】W WO2022161710
(87)【国際公開日】2022-08-04
(31)【優先権主張番号】102021101598.7
(32)【優先日】2021-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】506065105
【氏名又は名称】トルンプフ レーザー－ ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＴＲＵＭＰＦ Ｌａｓｅｒ－ ｕｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ－Ｍａｕｓ－Ｓｔｒａｓｓｅ ２， Ｄ－７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】ダニエル フラム
(72)【発明者】
【氏名】ミヒャエル イェンネ
(72)【発明者】
【氏名】ヘニング ハイミング
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AD02
4E168DA02
4E168DA03
4E168DA04
4E168DA33
4E168DA43
4E168DA60
4E168EA05
4E168EA13
(57)【要約】
本発明は、ワークピース（７０）をレーザ加工するための装置に関し、装置は、ビーム成形デバイス（１６，１６’）に入射する入力レーザビーム（１４）から焦点ゾーン（１８）を形成するためのビーム成形デバイス（１６，１６’）と、焦点ゾーン（１８）をワークピース（７０）の材料（７２）内に結像するためのテレスコープデバイス（３４，３４’）と、を備え、ビーム成形デバイス（１６，１６’）は、焦点ゾーン（１８）が少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸（４０）に沿って延び、且つ焦点ゾーン（１８）が長手方向中心軸（４０）に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有するように、入力レーザビーム（１４）のビーム断面上に位相を付与するために使用される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ワークピース（７０）をレーザ加工するための装置であって、ビーム成形デバイス（１６，１６’）に入射する入力レーザビーム（１４）から焦点ゾーン（１８）を形成するための前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）と、前記焦点ゾーン（１８）を前記ワークピース（７０）の材料（７２）内に結像させるためのテレスコープデバイス（３４，３４’）と、を備え、前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）が、前記焦点ゾーン（１８）が少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸（４０）に沿って延びるように、前記入力レーザビーム（１４）のビーム断面上に位相を付与するために使用され、前記テレスコープデバイス（３４，３４’）が、前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）から出力結合された部分ビーム（２４）を、その各々が少なくとも２つの異なる偏光状態のうちの１つを有する複数の偏光部分ビーム（５４ａ，５４ｂ）に分割するためのビーム分割デバイス（４６）を割り当てられ、前記ビーム分割デバイス（４６）を有するテレスコープデバイス（３４，３４’）が、前記偏光部分ビーム（５４ａ，５４ｂ）を、第１の偏光状態を有する第１の部分ビーム（５４ａ）の第１の部分焦点ゾーン（５８ａ）及び第２の偏光状態を有する第２の部分ビーム（５４ｂ）の第２の部分焦点ゾーン（５８ｂ）に集束するように設計されており、その結果、少なくとも特定の部分における前記焦点ゾーン（１８）が、前記第１の部分焦点ゾーン（５８ａ）と前記第２の部分焦点ゾーン（５８ｂ）との空間オーバーラップによって形成され、前記焦点ゾーン（１８）が、前記長手方向中心軸（４０）に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有する、装置において、前記ビーム分割デバイス（４６）が複屈折偏光要素（６２）を有し、これにより、前記ビーム分割デバイス（４６）から出力結合された前記第１の部分ビーム（５４ａ）と前記第２の部分ビーム（５４ｂ）との間に空間オフセット（Δｘ）及び角度オフセット（Δα）の両方が作成され、前記ビーム分割デバイスから（４６）出力結合された前記第１の部分ビーム（５４ａ）が、前記テレスコープデバイス（３４，３４’）の光軸（５６）に対して平行に配向されている、ことを特徴とする、装置。
【請求項2】
前記第１の部分焦点ゾーン（５８ａ）が第１の長手方向中心軸（６０ａ）に沿って延び、前記第２の部分焦点ゾーン（５８ｂ）が第２の長手方向中心軸（６０ｂ）に沿って延び、前記第１の長手方向中心軸（６０ａ）及び前記第２の長手方向中心軸（６０ｂ）が各々、少なくとも特定の部分において湾曲した形状を有する、ことを特徴とし、特に、前記第１の長手方向中心軸（６０ａ）及び前記第２の長手方向中心軸（６０ｂ）が、前記第１の長手方向中心軸（６０ａ）及び／又は前記第２の長手方向中心軸（６０ｂ）に対して垂直に配向された方向において空間オフセット（Δｂ）を有する、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の部分ビーム（５４ａ）及び前記第２の部分ビーム（５４ｂ）が、互いに対してインコヒーレントであり、並びに／又は前記第１の部分ビーム（５４ａ）及び前記第２の部分ビーム（５４ｂ）が、互いに固定された位相関係を有しない、ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項4】
前記ビーム分割デバイス（４６）が、前記テレスコープデバイス（３４，３４’）の遠視野領域（４８）内に配置され、及び／又は前記ビーム分割デバイス（４６）が、前記テレスコープデバイス（３４，３４’）の少なくともほぼ焦点面（５０）に配置されている、ことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項5】
前記ビーム分割デバイス（４６）が、ビーム分割器光学ユニット、特に偏光ビーム分割器光学ユニットであるか、若しくはそれを備え、及び／又は前記ビーム分割デバイス（４６）が、少なくとも１つの複屈折要素、特に少なくとも１つの複屈折ウェッジ要素を有する、ことを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記ビーム分割デバイス（４６）が、入射ビーム（５２）を異なる偏光状態を有するそれぞれの異なる部分ビーム（５４ａ，５４ｂ）に分割するために使用され、前記ビーム分割デバイス（４６）から出力結合され、且つ異なる偏光状態を有する部分ビーム（５４ａ，５４ｂ）が、角度オフセット（Δα）を有する、ことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項7】
少なくとも特定の部分における前記焦点ゾーン（１８）の前記長手方向中心軸（４０）が、少なくとも５０μｍ及び／若しくは最大１００ｍｍの曲率半径を有し、並びに／又は前記焦点ゾーン（１８）の前記長手方向中心軸（４０）が、少なくとも２００μｍ及び／若しくは最大２ｍｍの平均曲率半径を有し、並びに／又は前記焦点ゾーン（１８）が、少なくとも５０μｍ及び／若しくは最大２０ｍｍ、特に少なくとも５００μｍ及び／若しくは最大２ｍｍの長さを有する、ことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項8】
前記焦点ゾーン（１８）が、準非回折性及び／又はベッセル状ビームプロファイルを有する、ことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項9】
前記焦点ゾーン（１８）が、前記焦点ゾーン（１８）の前記長手方向中心軸（４０）に対して垂直に配向された平面において楕円形の断面を有する、ことを特徴とし、特に、前記焦点ゾーン（１８）の断面楕円の最大直径（ｄｘ，ｄｙ）が、前記ワークピース（７０）が前記焦点ゾーン（１８）に対して移動して加工線（７４）及び／又は加工面を形成する前進方向（８６）に対して少なくともほぼ平行に整列されている、ことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項10】
前記入力レーザビーム（１４）を提供するためのレーザ源（１２）を備え、特にパルスレーザビーム又は超短パルスレーザビームが前記レーザ源（１２）によって提供される、ことを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項11】
前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）のビーム出口面（２２）上で出力結合された部分ビーム（２４）の位相分布が非対称であり、及び／又は回転対称ではない、ことを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項12】
ワークピース（７０）をレーザ加工するための方法であって、その過程において、ビーム成形デバイス（１６，１６’）が、前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）に入射する入力レーザビーム（１４）から焦点ゾーン（１８）を形成するために使用され、前記焦点ゾーン（１８）が、テレスコープデバイス（３４，３４’）によって前記ワークピース（７０）の材料（７２）内に結像されるか又は結像され得、前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）が、前記焦点ゾーン（１８）が少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸（４０）に沿って延びるように、前記入力レーザビーム（１４）のビーム断面上に位相を付与するために使用され、前記テレスコープデバイス（３４，３４’）に割り当てられたビーム分割デバイス（４６）が、前記ビーム成形デバイス（１６，１６’）から出力結合された部分ビーム（２４）を、その各々が少なくとも２つの異なる偏光状態のうちの１つを有する複数の偏光部分ビーム（５４ａ，５４ｂ）に分割するために使用され、前記偏光部分ビーム（５４ａ，５４ｂ）が、第１の偏光状態を有する第１の部分ビーム（５４ａ）の第１の部分焦点ゾーン（５８ａ）及び第２の偏光状態を有する第２の部分ビーム（５４ｂ）の第２の部分焦点ゾーン（５８ｂ）内に集束され、その結果、少なくとも特定の部分における前記焦点ゾーン（１８）が、前記第１の部分焦点ゾーン（５８ａ）と前記第２の部分焦点ゾーン（５８ｂ）との空間オーバーラップによって形成され、前記焦点ゾーン（１８）が、前記長手方向中心軸（４０）に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有する、方法において、前記ビーム分割デバイス（４６）が複屈折偏光要素（６２）を有し、これにより、前記ビーム分割デバイス（４６）から出力結合された前記第１の部分ビーム（５４ａ）と前記第２の部分ビーム（５４ｂ）との間に空間オフセット（Δｘ）及び角度オフセット（Δα）の両方が作成され、前記ビーム分割デバイスから（４６）出力結合された前記第１の部分ビーム（５４ａ）が、前記テレスコープデバイス（３４，３４’）の光軸（５６）に対して平行に配向されている、ことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ワークピースをレーザ加工するための装置に関する。
【0002】
本発明はまた、ワークピースをレーザ加工するための方法に関する。
【背景技術】
【0003】
（特許文献１）は、透明な材料をレーザ加工するための方法を開示しており、その過程において、レーザパルスのバーストを含むレーザビームが提供され、且つレーザビームのパルスが集束され、この集束は、透明材料の外側の位置にビームウェストを形成するために、透明材料内でレーザビームの長手軸に沿って分散焦点を生成するために、付随収差を有する１つ以上の光学要素によって実施され、集束されたレーザビームは、透明材料内で連続レーザフィラメントを形成して維持するための十分なエネルギー密度を有し、連続レーザフィラメントに沿って与えられたレーザエネルギーが材料の内部修正をもたらし、内部修正は連続フィラメントによって画定される形状を有する。
【0004】
（特許文献２）は、レーザを使用してガラス基材の縁部を開先及び／又は面取りするための方法を開示している。
【0005】
（特許文献３）は、ガウスビームに基づく異なる光パターンによって面取りされた角部を形成するための切断方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】欧州特許第２８５９９８４Ｂ１号明細書
【特許文献2】米国特許第１０，１７３，９１６Ｂ２号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第２０２０／０１４７７２９Ａ１号明細書
【特許文献4】独国特許出願第１０２０２０２０７７１５．０号明細書
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｐｐｉｎｇ，Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｏｎ”，Ｍ．Ｗｏｅｒｄｅｍａｎｎ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍｅｄｉａ（２０１２），ＩＳＢＮ ９７８－３－６４２－２９３２２－１
【非特許文献2】“Ｂｅｓｓｅｌ－ｌｉｋｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ”Ｉ．Ｃｈｒｅｍｍｏｓ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３７，ｎｏ．２３，１ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１２
【非特許文献3】“Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ａｘｉｃｏｎ－ｂａｓｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｎｇ ｂｅａｍｓ”Ｋ．Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，ａｒＸｉｖ：１９１１．０３１０３ｖ１［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］，８ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１９
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、導入部で述べた装置を提供する目的に基づき、その装置によって、技術的に簡単な方法で湾曲した加工線に沿ってワークピースをレーザ加工することが可能である。
【0009】
この目的は、導入部で述べた装置の場合における本発明に従って達成され、装置は、ビーム成形デバイスに入射する入力レーザビームから焦点ゾーンを形成するためのビーム成形デバイスと、焦点ゾーンをワークピースの材料内に結像するためのテレスコープデバイスとを備え、ビーム成形デバイスは、焦点ゾーンが少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸に沿って延び、且つ焦点ゾーンが長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有するように、入力レーザビームのビーム断面上に位相を付与するために使用される。
【0010】
ビーム成形デバイスは、技術的に簡単な方法で、且つ少ない構成要素で、入力レーザビームのビーム断面上に対応して位相を付与することによって、言及された焦点ゾーンを実現することを可能にする。
【0011】
特に、焦点ゾーンは、相互作用領域を形成し、この相互作用領域をワークピースの材料に適用することにより、局所的な材料修正を形成することを可能にし、特に材料を分離することを可能にする。
【0012】
焦点ゾーンは、少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸に沿って延びているため、例えば、少なくとも特定の部分において湾曲している領域を、単一のパスで、及び／又は光学ユニットを使用することなく、ワークピースに対して加工することが可能である。これにより、例えば、ワークピース上の丸みを帯びた領域を修正し、及び／又はワークピースからそれを分離することを可能にする。例えば、その結果、ワークピースの縁部領域を丸めることが可能になる。
【0013】
焦点ゾーンの非対称な断面により、前進方向において互いに隣接している修正領域間のクラックの形成を制御及び／又は最適化することが可能になる。特に、隣接している修正領域間の最短接続線に対して少なくともほぼ平行にクラックを配置することが可能になる。これにより、ワークピースの最適な分離を実現することが可能になる。
【0014】
特に、ビーム成形デバイスのビーム出口面上で出力結合された部分ビームの位相分布が非連続であり、及び／又は不連続点を有してもよい。これにより、出力結合された部分ビームの干渉、特に完全に建設的な干渉ではない干渉によって、非対称な断面を有する焦点ゾーンを形成することが可能になる。
【0015】
非対称な断面は、特に、ビームの直径及び／又は焦点ゾーンの直径がｘ方向及びｙ方向において異なる直径を有することを意味すると理解され、ｘ方向及びｙ方向は、特に、互いに対して垂直に配向され、及び／又はビーム伝搬方向に対して垂直に配向された平面内に存在する。
【0016】
焦点ゾーンの長さ及び／又は直径などの焦点ゾーンの空間的寸法を判定するために、焦点ゾーンは、判定された強度閾値超の強度値のみを有する修正強度分布で観察され、強度閾値は、特に、実際の強度分布の全体強度最大値の５０％である。焦点ゾーンの長さ、又は焦点ゾーンの直径は、修正強度分布に基づいて採用された、焦点ゾーンの長手方向中心軸に沿った、又は長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面における、焦点ゾーンの範囲の最大長さ及び／又は最大範囲の長さを意味すると理解される。
【0017】
特に、焦点ゾーンの長手方向中心軸は、湾曲し、及び／又は連続的に湾曲し、及び／又は焦点ゾーンの全長にわたって湾曲している。
【0018】
導入部で述べた目的はまた、導入部で述べた装置の場合における本発明に従って達成され、装置は、ビーム成形デバイスに入射する入力レーザビームから焦点ゾーンを形成するためのビーム成形デバイスと、焦点ゾーンをワークピースの材料内に結像させるために使用されるテレスコープデバイスとを備え、ビーム成形デバイスは、焦点ゾーンが少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸に沿って延びるように、入力レーザビームのビーム断面上に位相を付与するために使用され、テレスコープデバイスは、ビーム成形デバイスから出力結合された部分ビームを、その各々が少なくとも２つの異なる偏光状態のうちの１つを有する複数の偏光部分ビームに分割するためのビーム分割デバイスを割り当てられ、ビーム分割デバイスを有するテレスコープデバイスは、偏光部分ビームを、第１の偏光状態を有する第１の部分ビームの第１の部分焦点ゾーン及び第２の偏光状態を有する第２の部分ビームの第２の部分焦点ゾーン内に集束するように設計されており、その結果、少なくとも特定の部分における焦点ゾーンは、第１の部分焦点ゾーンと第２の部分焦点ゾーンとの空間オーバーラップによって形成され、焦点ゾーンは、長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有する。
【0019】
本発明のこの変形例では、焦点ゾーンの非対称な断面は、ビーム分割デバイスを使用してビームを分割することによって実現される。その結果、焦点ゾーンは、特に、第１の偏光状態を有する第１の部分ビームと第２の偏光状態を有する第２の部分ビームとのインコヒーレントなオーバーラップ及び／又は重ね合わせによって形成される。
【0020】
３つ以上の異なる偏光状態を有する部分ビームがビーム分割デバイスによって形成されること、及び／又は焦点ゾーンが３つ以上の異なる部分焦点ゾーンから形成されることもまた、原理的に可能である。
【0021】
オーバーラップとは、特に少なくとも部分空間オーバーレイを意味し、これは特に、第１の部分焦点ゾーンと第２の部分焦点ゾーンとの強度の加算のために使用されると理解される。
【0022】
異なる偏光状態を有する部分ビームは、特に、第１の偏光状態を有する第１の部分ビーム及び第２の偏光状態を有する第２の部分ビームの偏光方向が互いに対して９０°の角度で整列している、直線偏光部分ビームを意味すると理解される。
【0023】
特に、少なくとも特定の部分における焦点ゾーンが、第１の部分焦点ゾーンの空間強度分布と第２の部分焦点ゾーンの空間強度分布とのオーバーラップによって形成されてもよい。これにより、技術的に簡単な方法で、非対称な断面を有する焦点ゾーンを形成することが可能になる。
【0024】
原理的には、第１の部分焦点ゾーンと第２の部分焦点ゾーンとの空間オーバーラップによって焦点ゾーンが完全に形成されることもまた可能である。
【0025】
第１の部分焦点ゾーンが第１の長手方向中心軸に沿って延び、第２の部分焦点ゾーンが第２の長手方向中心軸に沿って延び、第１の長手方向中心軸及び第２の長手方向中心軸が各々、少なくとも特定の部分において湾曲した形態を有する場合、好都合であり得る。これにより、湾曲した形状及び非対称な断面を有する焦点ゾーンを形成することが可能になる。
【0026】
同じ理由で、第１の長手方向中心軸及び第２の長手方向中心軸が、第１の長手方向中心軸及び／又は第２の長手方向中心軸に対して垂直に配向された方向において空間オフセットを有する場合、好都合であり得る。
【0027】
同じ理由で、第１の長手方向中心軸及び第２の長手方向中心軸が、少なくとも互いに対してほぼ平行に走る場合、好都合であり得る。
【0028】
特に、第１の部分ビーム及び第２の部分ビームが互いに対してインコヒーレントであってもよく、並びに／又は第１の部分ビーム及び第２の部分ビームが互いに固定された位相関係を有しなくてもよい。その結果、焦点ゾーンは、特に、第１の部分ビーム及び第２の部分ビームのインコヒーレントなオーバーラップ及び／又は重ね合わせによって形成される。
【0029】
特に、ビーム分割デバイスがテレスコープデバイスの遠視野領域内に配置されてもよく、及び／又はビーム分割デバイスがテレスコープデバイスの少なくともほぼ焦点面に配置されてもよい。その結果、ビーム分割デバイスは、技術的に簡単な方法でテレスコープデバイスに統合され得る。
【0030】
遠視野領域とは、特に、テレスコープデバイスの光軸の周りに環状の強度分布が存在する、テレスコープデバイスのビーム経路内の領域を意味すると理解される。
【0031】
特に、テレスコープデバイスは、第１のレンズ要素と、ビーム伝搬方向において第１のレンズ要素から間隔をあけて配置された第２のレンズ要素とを有し、ビーム分割デバイスが第１のレンズ要素と第２のレンズ要素との間に配置され、並びに／又はビーム分割デバイスが少なくとも第１のレンズ要素及び／若しくは第２のレンズ要素のほぼ焦点面に配置されてもよい。
【0032】
特に、ビーム分割デバイスは、ビーム分割器光学ユニット、特に偏光ビーム分割器光学ユニットであるか、又はそれを含んでもよい。例えば、ビーム分割器光学ユニットは、水晶結晶から製造されるか、水晶を含む。
【0033】
例えば、ビーム分割器デバイスは、少なくとも１つの複屈折要素、特に少なくとも１つの複屈折ウェッジ要素を有する。
【0034】
ビーム分割デバイスが複屈折偏光要素を有すると有利であり得、これにより、ビーム分割デバイスから出力結合された第１の部分ビームと第２の部分ビームの間に空間オフセット及び角度オフセットの両方が作成される。
【0035】
特に、ビーム分割デバイスは、等方性要素又は更なる複屈折偏光要素などの、長手方向において複屈折偏光要素の下流に配置された更なる光学要素を含む。
【0036】
特に、更なる光学要素は、ビーム分割デバイスから出力結合された第１の部分ビームと第２の部分ビームとの間の空間オフセット及び／又は角度オフセットを修正するように設計される。
【0037】
好ましくは、更なる光学要素は、第１の部分ビームをテレスコープデバイスの光軸に対して平行に整列するように構成される。
【0038】
ビーム分割デバイスが入射ビームを異なる偏光状態を有するそれぞれの異なる部分ビームに分割するために使用され、ビーム分割デバイスから出力結合され、且つ異なる偏光状態を有する部分ビームが、角度オフセットを有する場合、有利であり得る。部分ビームがテレスコープデバイスによって結像された後、角度オフセットは、異なる偏光状態を有する部分ビームの空間オフセットをもたらす。
【0039】
特に、ビーム分割デバイスから出力結合され、且つ第１の偏光状態を有する第１の部分ビームが、テレスコープデバイスの光軸に対して平行に配向されてもよい。この結果、調整の複雑さが低減される。
【0040】
特に本発明による装置の２つの上述の変形例は、各々、以下に説明する特徴及び／又は利点のうちの１つ以上を有する。
【0041】
特に、焦点ゾーン及び／又は焦点ゾーンに割り当てられた中間像は、ビーム成形デバイスから出力結合された部分ビームの干渉、特に特定の部分において建設的な干渉によって形成されてもよい。
【0042】
特に、テレスコープデバイスは、第１のレンズ要素と、ビーム伝搬方向において第１のレンズ要素から間隔をあけて配置された第２のレンズ要素とを有し、第１のレンズ要素は、テレスコープデバイスへのビームの入力結合に使用され、及び／又は第２のレンズ要素は、テレスコープデバイスからのビームの出力結合に使用されてもよい。
【0043】
特に、テレスコープデバイスは、第１のレンズ要素と、ビーム伝搬方向において第１のレンズ要素から間隔をあけて配置された第２のレンズ要素とを有し、第１のレンズ要素は、第２のレンズ要素よりも大きな焦点幅を有してもよい。
【0044】
一実施形態では、テレスコープデバイスの第１のレンズ要素は、ビーム成形デバイスに統合されるか、ビーム成形デバイス上に配置される。特に、第１のレンズ要素の機能は、ビーム成形デバイスに統合される。
【0045】
特に、少なくとも特定の部分における焦点ゾーンの長手方向中心軸は、少なくとも５０μｍ及び／若しくは最大１００ｍｍの曲率半径を有し、並びに／又は焦点ゾーンの長手方向中心軸は、少なくとも２００μｍ及び／若しくは最大２ｍｍの平均曲率半径を有する。
【0046】
例えば、焦点ゾーン及び／又は焦点ゾーンの長手方向中心軸は、Ｕ字形状及び／又はＣ字形状及び／又は双曲線形状を有する。
【0047】
特に、焦点ゾーン及び／又は焦点ゾーンの長手方向中心軸は、少なくともほぼ円弧状部分に沿って延びてもよい。
【0048】
例えば、円弧状部分の中心点角度は、少なくとも１°及び／又は最大９０°である。
【0049】
例えば、焦点ゾーン及び／又は焦点ゾーンの長手方向中心軸は、少なくとも特定の部分において１／４円に沿って延びる。
【0050】
特に、焦点ゾーンは、空間的に連続した設計を有してもよい。特に、第１の部分焦点ゾーン及び／又は第２の部分焦点ゾーンは、空間的に連続した設計を有する。
【0051】
特に、焦点ゾーン及び／又は焦点ゾーンの長手方向中心軸は、連続的及び／又は微分可能な形状を有する。特に、焦点ゾーン及び／又は長手方向中心軸は、破断点及び／又は不連続点を有しない。
【0052】
特に、焦点ゾーンは、線状の及び／又は細長い及び／又は長い形態を有する。
【0053】
例えば、焦点ゾーンの長さは、焦点ゾーンの最大直径の１０倍超、特に５０倍超である。
【0054】
特に、焦点ゾーンは、少なくとも５０μｍ及び／又は最大２０ｍｍ、特に少なくとも５００μｍ及び／又は最大２ｍｍの長さを有してもよい。
【0055】
特に、焦点ゾーンの最大直径は、少なくとも５００ｎｍ及び／又は最大５μｍであってもよい。
【0056】
焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面における焦点ゾーンの最大直径が、長手方向中心軸に沿って少なくともほぼ一定である場合、好都合であり得る。これにより、焦点ゾーンの長さにわたって材料のほぼ均一な加工を達成することが可能になる。
【0057】
準非回折性及び／又はベッセル状ビームが生成され得、又はビーム成形デバイスによって生成され得る場合、有利であり得る。その結果、特に、長手方向において少なくともほぼ一定である横断方向の強度分布を有する焦点ゾーンが提供され、横断強度分布は、焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面における強度分布を意味すると理解される。
【0058】
特に、焦点ゾーンは、準非回折性及び／又はベッセル状ビームプロファイルを有する。
【0059】
準非回折ビーム及び／又はベッセル状ビームは、特に、横断方向の強度分布が伝搬不変であるビームを意味すると理解されるべきである。特に、準非回折ビーム及び／又はベッセル状ビームの場合、ビームの長手方向及び／又はビーム伝搬方向における横断方向の強度分布は、実質的に一定である。
【0060】
横断方向の強度分布は、ビームの長手方向及び／又はビーム伝搬方向に対して垂直に配向された平面内に位置する強度分布を意味すると理解されるべきである。
【0061】
準非回折ビームの定義及び特性に関しては、以下の文献を参照されたい：（非特許文献１）。
【0062】
湾曲した形状を有する準非回折性及び／又はベッセル状ビームの形成及び特性に関しては、Ｉ．Ｃｈｒｅｍｍｏｓらによる、科学出版物（非特許文献２）で言及されている。
【0063】
非対称な断面を有する準非回折性及び／又はベッセル状ビームの形成及び特性に関しては、Ｋ．Ｃｈｅｎらによる、科学出版物（非特許文献３）で言及されている。
【0064】
特に、焦点ゾーンは、焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面において楕円形の断面を有してもよい。これにより、特に、ワークピースのレーザ加工中に形成されるクラックの形成及び／又は配向を制御することが可能になる。
【0065】
同じ理由で、焦点ゾーンの断面楕円の最大直径が、ワークピースが焦点ゾーンに対して移動して加工線及び／又は加工面を形成する前進方向に対して少なくともほぼ平行に整列される場合、有利であり得る。その結果、特にレーザ加工中に形成されるクラックは、前進方向に対して少なくともほぼ平行に配向される。
【0066】
特に、焦点ゾーンの中間像がビーム成形デバイスによって形成され、焦点ゾーンがテレスコープデバイスによって中間像を結像することによって形成される場合、有利であり得る。テレスコープデバイスは、特に使用に基づいて焦点ゾーンの長さを適合させるために使用することができる。
【0067】
特に、ビーム伝搬方向において、中間像は、ビーム成形デバイスと、テレスコープデバイスからのビームを出力結合するための第２のレンズ要素との間、及び／又はビーム成形デバイスと、ビーム成形デバイスから出力結合された部分ビームを複数の偏光部分ビームに分割するビーム分割デバイスとの間に配置されてもよい。
【0068】
ビーム成形デバイス及び／又はビーム分割デバイスがテレスコープデバイスの光軸に対して、特にテレスコープデバイスの光軸の周りで回転可能である場合、有利であり得る。これにより、ワークピースに対する焦点ゾーンの整列を適合させることが可能になる。
【0069】
特に、装置は、入力レーザビームを提供するためのレーザ源を備え、特にパルスレーザビーム又は超短パルスレーザビームが、レーザ源によって提供されてもよい。
【0070】
例えば、入力レーザビームの波長は、少なくとも３００ｎｍ及び／又は最大１５００ｎｍである。例えば、波長は、５１５ｎｍ又は１０３０ｎｍである。
【0071】
特に、加工ビームは、少なくとも１Ｗ～１ｋＷの平均出力を有する。例えば、加工ビームは、少なくとも１０μＪ及び／又は最大５０ｍＪのパルスエネルギーを有するパルスを含む。加工ビームが個々のパルス又はバーストを含み、バーストが２～２０個のサブパルスを有し、特に約２０ｎｓの時間間隔を有してもよい。
【0072】
ビーム成形デバイスが少なくとも１つの回折光学要素を有するか、又は回折光学要素の形態である場合、有利であり得る。
【0073】
原理的には、ビーム成形デバイスが屈折及び／又は反射光学要素の形態であることもまた可能である。
【0074】
例えば、ビーム成形デバイスは、アキシコン状要素であるか、又はアキシコン状要素を含む。
【0075】
ビーム成形デバイスのビーム出口面上で出力結合された部分ビームの位相分布が非対称であり、及び／又は回転対称ではない場合、有利であり得る。特に、位相分布は、入力レーザビームのビーム軸に対して、及び／又はビーム成形デバイスの光軸に対して、非対称であり、及び／又は回転対称ではない。これにより、例えば、湾曲したベッセル状ビーム及び／又は加速されたベッセル状ビームの形態で、焦点ゾーンを生成することが可能になる。
【0076】
装置が、ビーム成形デバイスに入射する入力レーザビームの直径を制御するための更なるテレスコープデバイスを含む場合、好都合であり得る。これにより、焦点ゾーンの長さを制御及び／又は調節することが可能になる。
【0077】
例えば、更なるテレスコープデバイスは、ビーム伝搬方向においてビーム成形デバイスの上流に配置される。
【0078】
本発明によれば、ワークピースをレーザ加工するための方法が提供され、その過程において、ビーム成形デバイスは、ビーム成形デバイスに入射する入力レーザビームから焦点ゾーンを形成するために使用され、焦点ゾーンは、テレスコープデバイスによってワークピースの材料内に結像されるか又は結像され得、ビーム成形デバイスは、焦点ゾーンが少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸に沿って延び、且つ焦点ゾーンが長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有するように、入力レーザビームのビーム断面上に位相を付与するために使用される。
【0079】
本発明によれば、ワークピースをレーザ加工するための更なる方法が提供され、その過程において、ビーム成形デバイスは、ビーム成形デバイスに入射する入力レーザビームから焦点ゾーンを形成するために使用され、焦点ゾーンは、テレスコープデバイスによってワークピースの材料内に結像されるか又は結像され得、ビーム成形デバイスは、焦点ゾーンが少なくとも特定の部分において湾曲している長手方向中心軸に沿って延びるように、入力レーザビームのビーム断面上に位相を付与するために使用され、テレスコープデバイスに割り当てられたビーム分割デバイスは、ビーム成形デバイスから出力結合された部分ビームを、その各々が少なくとも２つの異なる偏光状態のうちの１つを有する複数の偏光部分ビームに分割するために使用され、偏光部分ビームは、第１の偏光状態を有する第１の部分ビームの第１の部分焦点ゾーン及び第２の偏光状態を有する第２の部分ビームの第２の部分焦点ゾーン内に集束され、その結果、少なくとも特定の部分における焦点ゾーンは、第１の部分焦点ゾーンと第２の部分焦点ゾーンとの空間オーバーラップによって形成され、焦点ゾーンは、長手方向中心軸に対して垂直に配向された平面において非対称な断面を有する。
【0080】
本発明による方法は、特に、上述した本発明による装置の１つ以上の特徴及び／又は利点を有する。本発明による方法の有利な構成は、本発明による装置と関連付けて既に説明した通りである。
【0081】
特に、ワークピースは、入力レーザビームの波長及び／又は入力レーザビームから形成される焦点ゾーンの波長に対して透明である材料から製造され、及び／又はその材料を含んでもよい。ワークピースの材料は、例えば、ガラスであり、又はガラスを含む。
【0082】
透明な材料とは、特に、加工ビームのレーザエネルギーの少なくとも７０％、特に少なくとも８０％、特に少なくとも９０％が透過される材料を意味すると理解される。
【0083】
特に、焦点ゾーンは、レーザ加工を実施するためにワークピースに適用され、特に、ワークピースが、加工線又は加工面に沿って焦点ゾーンに対して相対的に移動されてもよい。これにより、加工線又は加工面に沿って配置されるワークピースの材料修正を形成することが可能になる。
【0084】
特に、レーザ加工が実施された後に、ワークピースが加工線及び／又は加工面に沿って分離され得るか又は分離されてもよい。
【0085】
熱的負荷及び／又は機械的応力を加えることによって、及び／又は少なくとも１つの湿式化学溶液によるエッチングによって、ワークピースの材料が加工線及び／又は加工面に沿って分離可能であるか又は分離される場合、有利であり得る。
【0086】
特に、入力レーザビームは、パルスレーザビーム又は超短パルスレーザビームであり、及び／又は焦点ゾーンは、パルスレーザビーム又は超短パルスレーザビームによって形成されてもよい。
【0087】
特に、焦点ゾーンに対してワークピースを移動及び／又は傾斜させるための軸システムが提供される。
【0088】
入力レーザビームを供給するためのレーザ源を制御するように、空間的に分解されたパルス制御、特にパルスオンデマンドを含む、電子機器調節が提供されてもよい。
【0089】
特に、特に非反射性及び／又は強散乱性表面を有するワークピース用のワークピースマウントが提供される。
【0090】
別段の記載がない限り、焦点ゾーンの前述の特性は、基本的に、空気中の焦点ゾーンの特性及び／又はワークピースの外部の焦点ゾーンの特性に関連する。
【0091】
特に、「約」及び「少なくとも約」という表示は、一般に、１０％以下の偏差を意味すると理解される。別段の記載がない限り、「約」又は「少なくとも約」という表示は、特に、実際の値及び／又は距離及び／又は角度が、理想的な値及び／又は距離及び／又は角度から１０％以下だけ偏差していることを意味すると理解される。
【0092】
以下の好ましい実施形態の説明は、図面と関連付けて本発明をより詳細に説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【0093】
【図1】ワークピースをレーザ加工するための装置の一実施形態の概略断面図であり、２つの異なる変形例が示されている。
【図2】ワークピースをレーザ加工するための装置の更なる実施形態の部分領域での概略断面図であり、２つの異なる変形例が示されている。
【図3】本装置のビーム成形デバイスの第１の実施形態のビーム出口面上での部分ビームの位相分布の概略図である。
【図4】焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して平行に配向されたｚ－ｘ平面における湾曲したプロファイルを有するシミュレーションされた焦点ゾーンの強度分布を示す図である。
【図5】焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して垂直に配向されたｘ－ｙ平面におけるシミュレーションされた焦点ゾーンの強度分布の断面図である。
【図6】本装置のビーム成形デバイスの更なる実施形態のビーム出口面上での部分ビームの位相分布の概略図である。
【図7】ビーム分割デバイスの第１の実施形態の概略断面図である。
【図8】ビーム分割デバイスの更なる実施形態の概略断面図である。
【図9a】焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して平行な断面における焦点ゾーンの概略図であり、焦点ゾーンは、第１の部分焦点ゾーンと第２の部分焦点ゾーンとの空間オーバーラップによって形成されている。
【図10a】焦点ゾーンの長手方向中心軸に対して垂直に配向されたｘ－ｙ平面における焦点ゾーンの強度分布の概略断面図である。
【図11】加工線及び／又は加工面に沿った焦点ゾーンによって加工されるワークピースの概略断面図である。
【図12a】加工線及び／又は加工面に沿って２つの異なるセグメントに分離されるワークピースの一例の斜視図である。
【図12b】加工線及び／又は加工面に沿って２つの異なるセグメントに分離されるワークピースの更なる例の斜視図である。
【図13】加工線及び／又は加工面上のワークピースの部分領域の概略断面図であり、クラックが相互に間隔をあけて配置された修正領域間に形成されている。
【発明を実施するための形態】
【0094】
同じであるか、又は同等の機能を有する要素は、全ての例示的な実施形態において同じ参照符号によって示される。
【0095】
ワークピースをレーザ加工するための装置の第１の例示的な実施形態は、図１に示されており、その図において１０で示されている。装置１０は、例えばサブミクロンスケール又は原子スケールでの欠陥などの、ワークピース上に局所的に存在する材料修正を作成するために使用することができ、これにより材料が弱められる。これにより、例えばその後のステップにおいて、ワークピースを２つの異なるセグメントに分離することが可能になる。
【0096】
特に、装置１０は、入力レーザビーム１４を提供するためのレーザ源１２を備える。入力レーザビーム１４は、特に、パルスレーザビーム及び／又は超短パルスレーザビームである。例えば、入力レーザビーム１４は、ガウスビームであり、及び／又は回折ビームプロファイルを有する。
【0097】
装置１０は、ビーム成形デバイス１６を備え、その中に入力レーザビーム１４を入力結合することができる。特に、入力レーザビーム１４は、装置１０の動作状態において、ビーム成形デバイス１６に入力結合される。
【0098】
入力レーザビーム１４は、長手方向ｚに沿って伝搬する。特に、長手方向ｚは、入力レーザビーム１４及び／又は装置１０を通る入力レーザビーム１４から形成されるビームの主ビーム伝搬方向を意味すると理解される。
【0099】
入力レーザビーム１４の波長は、例えば、５１５ｎｍ又は１０３０ｎｍである。
【0100】
ビーム成形デバイス１６は、入力レーザビーム１４のビーム断面上に位相を付与して、細長い焦点ゾーン１８を生成する。このビーム断面の断面方向は、長手方向ｚに対して及び／又はビーム伝搬方向に対して垂直に配向される。
【0101】
入力レーザビーム１４は、ビーム入口面２０上でビーム成形デバイス１６に衝突し、ビーム成形デバイス内に入力結合される。ビーム入口面２０の反対側に位置するビーム出口面２２では、位相変調された部分ビーム２４がビーム成形デバイス１６から出力結合される。
【0102】
ビーム成形デバイス１６から出力結合された部分ビーム２４は、相互にコヒーレントな部分ビーム、すなわち、異なる部分ビーム２４が互いに固定された位相関係を有する。
【0103】
また、ビーム成形デバイス１６から出ていく部分ビーム２４は、ビーム成形デバイス１６に入射する入力レーザビーム１４に対して、及び／又はビーム成形デバイス１６の光軸２５に対して、コーン角度β１で傾斜している。特に、部分ビーム２４は、円錐形のプロファイル及び／又は円錐形のエンベロープを有する。
【0104】
部分ビーム２４の干渉は、焦点ゾーン１８に割り当てられ、且つ長手方向ｚにおいてビーム成形デバイス１６の下流に配置される、中間像２６の形成を引き起こす。焦点ゾーン１８及び／又は焦点ゾーン１８の中間像２６は、細長い及び／又は長い形状を有する。
【0105】
特に、中間像２６及び／又は焦点ゾーン１８は、長手方向ｚにおいて整列される。例えば、中間像２６及び／又は焦点ゾーン１８の主な広がり方向は、長手方向ｚに配向され、及び／又は光軸２５に対して平行に配向される。
【0106】
中間像２６は、長手方向中心軸２７（図１において点線で示されている）に沿って延びる。この点で、長手方向中心軸２７は、特に、長手方向における中間像２６の対称軸である。
【0107】
第１のビーム成形デバイス１６は、特に、回折光学要素の形態である。例えば、第１のビーム成形デバイスは、アキシコン様要素の形態である。
【0108】
ビーム成形デバイス１６によって部分ビーム２４に付与される位相プロファイルは、特に、中間像２６及び／又は焦点ゾーン１８が準非回折性及び／又はベッセル状ビームプロファイルを有するようなものである。
【0109】
更に、部分ビーム２４に付与される位相プロファイルは、中間像２６及び／又は焦点ゾーン１８が湾曲した形状を有するようなものである。これに対応して、それに沿って中間像２６が延びる長手方向中心軸２７は、湾曲した形状を有する。
【0110】
ビーム成形デバイス１６によって部分ビーム２４に付与される位相分布の一例が、図３に示されている。ビーム出口面２２上でビーム成形デバイス１６を出ていく部分ビーム２４の２次元位相分布は、図３では、白（位相＋Ｐｉ）から黒（位相－Ｐｉ）に達する割り当てられたグレースケール範囲を有するグレースケールプロファイルによって描かれている。
【0111】
ビーム出口面２２及び／又は示されている位相分布は、長手方向ｚに対して横断方向に、特に垂直に配向された平面内にある。
【0112】
空間位置Ｘ１，Ｙ１においてビーム出口面２２上でビーム成形デバイス１６を出ていく各部分ビーム２４には、－Ｐｉから＋Ｐｉまでの範囲内で判定された位相変位値が割り当てられ、これは、図３による例では、そこに示されている位相分布を参照すると分かる。
【0113】
図３に示される例では、ビーム出口面２２上の位相分布は、非対称で、特に回転対称ではないプロファイルを有する。これにより、湾曲したプロファイルを有する焦点ゾーンが部分ビーム２４の干渉によって形成されるような位相プロファイルが、部分ビーム２４上に付与される。その結果、中間像２６及び／又は焦点ゾーン１８は、湾曲したプロファイルを有する。
【0114】
更に、図３に示される位相分布は、２つの隣接する部分領域３０ａ、３０ｂ間の位相プロファイルが不連続となる、１つ以上の不連続点２８を有している。例えば、隣接する部分領域３０ａ、３０ｂ間の位相変位及び／又は位相不連続性は、Ｐｉの値を有する。
【0115】
不連続点２８は、第１の部分領域３０ａと、第１の部分領域３０ａに隣接する第２の部分領域３０ｂとの間の分離点及び／又は分離線を意味すると理解される。
【0116】
特に、第１の部分領域３０ａの不連続点２８上にある第１の境界点３２ａと、第２の部分領域３０ｂの不連続点２８上にある第２の境界点３２ｂの間の位相差は、Ｐｉである。
【0117】
特に、隣接する部分領域３０ａ、３０ｂは、各々局所的に連続した部分領域である。
【0118】
不連続である、及び／又は不連続点を備える位相分布のおかげで、ビーム成形デバイス１６によって部分ビーム２４に付与される位相プロファイルは、中間像２６及び／又は焦点ゾーン１８が非対称なビーム断面を有するようなものである。中間像２６に関して、ビーム断面の断面は、長手方向中心軸２７に対して垂直に配向される。
【0119】
装置１０は、ビーム伝搬方向及び／又は長手方向ｚにおいて中間像２６の下流に配置された、テレスコープデバイス３４を有する。焦点ゾーン１８は、このテレスコープデバイス３４が中間像２６を結像することによって形成され、特にテレスコープデバイス３４は、サイズを縮小して結像を実行する。
【0120】
テレスコープデバイス３４は、第１のレンズ要素３６と、長手方向ｚにおいて第１のレンズ要素３６から間隔をあけて配置された第２のレンズ要素３８とを有する。
【0121】
第１のレンズ要素３６は、テレスコープデバイス３４の長焦点レンズ要素及び／又は入力レンズ要素である。第２のレンズ要素３８は、テレスコープデバイス３４の出力レンズ要素及び／又は短焦点距離レンズ要素である。第２のレンズ要素３８は、特に、対物レンズの形態であり、及び／又は対物レンズの機能を有する。
【0122】
第１のレンズ要素３６及び／又は第２のレンズ要素３８は、必ずしも一体に形成されている必要はない。特に、各場合における第１のレンズ要素３６及び／又は第２のレンズ要素３８は、複数の光学構成要素から形成されるか、又は複数の光学構成要素を含んでもよい。
【0123】
第１のレンズ要素３６の第１の焦点距離ｆ１は、第２のレンズ要素３８の第２の焦点距離ｆ２よりも大きい。特に、比ｆ１／ｆ２は、少なくとも５及び／又は最大５０である。
【0124】
テレスコープデバイス３４は、焦点ゾーン１８を加工すべきワークピースに照射及び／又は結像させることを可能にする。特に、テレスコープデバイス３４は、ワークピースを加工するために焦点ゾーン１８の空間的寸法を適合させることを可能にする。
【0125】
特に、焦点ゾーン１８は、少なくともほぼ一定の強度を有し、且つ長手方向中心軸４０（図１において点線で示されている）に沿って延びる集束領域を意味すると理解される。この点で、長手方向中心軸４０は、特に、長手方向における焦点ゾーン１８の対称軸である。
【0126】
特に、焦点ゾーン１８は、長手方向中心軸４０に沿って延び、且つ少なくともほぼ一定の強度を有する集束領域を有する。
【0127】
特に、焦点ゾーン１８は、空間的に連続した設計を有し、すなわち、各場合における焦点ゾーン１８の集束強度領域は、空間的に連続した設計を有する。
【0128】
しかしながら、焦点ゾーン１８の強度が、長手方向中心軸に沿って変化し、及び／又は孤立点においてゼロであることもまた、原理的に可能である。
【0129】
特に、焦点ゾーン１８は、焦点ゾーン１８がワークピースの材料に適用されると、その内部でレーザ放射の強度が、修正領域が材料内に形成されるのに少なくとも十分に大きい集束領域を意味すると理解される。特に、材料は、これらの修正領域において分離され得る。
【0130】
焦点ゾーン１８の長手方向中心軸４０は、少なくとも特定の部分及び／又は連続的に湾曲した形状を有する。
【0131】
焦点ゾーン１８の１つの例示的な実施形態が図４に示されており、これは、長手方向中心軸４０に対して平行に配向されたｚ－ｘ平面における強度分布を示している。より明るいグレースケール値は、より大きな強度を表す。図４による例示的な実施形態では、焦点ゾーン１８は、円弧形状及び／又はＣ字形状を有する。
【0132】
焦点ゾーン１８は、特に、空間的に連続した設計を有する、全体の最大強度分布４２を意味すると理解される。特に、この全体の最大強度分布４２のみが、修正を形成する目的で加工すべき材料との相互作用に関連する。
【0133】
最大強度分布４２は、特に、２次強度分布４４によって囲まれている。これらの２次強度分布４４は、特に、最大強度分布４２の周囲に配置され、及び／又は最大強度分布４２から間隔をあけて配置されている。２次強度分布４４は、特に２次最大値であるか、又は２次最大値を含む。
【0134】
特に、２次強度分布４４は、より低い強度のおかげで、ワークピースの材料内に修正の形成が存在しない、及び／又はそれが無視できるため、ワークピースのレーザ加工に対して重要ではない。
【0135】
焦点ゾーン１８は、非対称のビーム断面を有し、断面方向は、長手方向中心軸４０に対して垂直に配向されている。図５は、長手方向中心軸４０に対して垂直方向に配向されたｘ－ｙ平面における焦点ゾーン１８の一例を示している。
【0136】
特に、焦点ゾーン１８は、ｘ方向において直径ｄｘを有し、ｘ方向に対して垂直に配向されたｙ方向において直径ｄｙを有し、ｘ方向及びｙ方向は、長手方向中心軸４０に対して垂直に配向された平面内にある。
【0137】
特に、焦点ゾーン１８は、楕円形のビーム断面を有してもよい。この場合、ｄｘ及びｄｙは異なる。例えば、ｄｘは割り当てられた楕円の半長軸に対して平行に配向され、ｄｙは半短軸に対して平行に配向される。
【0138】
装置１０の第２の変形例では、上述の第１の変形例とは対照的に、ビーム成形デバイス１６’は、焦点ゾーン１８に割り当てられ、且つ少なくともほぼ対称なビーム断面を有する、中間像２６’を形成するために使用される。
【0139】
特にビーム成形デバイス１６’及び中間像２６’は、それぞれ、上述したビーム成形デバイス１６及び上述した中間像２６の１以上の特徴及び／又は利点を有する。
【0140】
中間像２６’は、長手方向中心軸２７に沿って延び、特に、準非回折性及び／又はベッセル状ビームプロファイルを有する。
【0141】
ビーム出口面２２上では、ビーム成形デバイス１６’を出ていく部分ビーム２４は、上述のビーム成形デバイス１６の場合とは異なる位相分布を有する。
【0142】
ビーム成形デバイス１６’によって部分ビーム２４に付与される位相分布の一例が、（図３と同様に）グレースケール分布の形態で図６に示されている。ビーム出口面２２上の位相分布は、非対称で、特に回転対称ではないプロファイルを有する。これにより、湾曲したプロファイルを有する焦点ゾーンが部分ビーム２４の干渉によって形成されるような位相プロファイルが、部分ビーム２４に付与される。その結果、中間像２６’及び／又は焦点ゾーン１８は、湾曲したプロファイルを有する。
【0143】
特に、図６に示される位相分布は、連続的であり、特に全体的に連続的である。特に、図６に示される位相分布は、いかなる破断点及び／又は不連続点も有しない。これにより、対称的なビーム断面を有する焦点ゾーンが部分ビーム２４の干渉によって形成されるような位相プロファイルが、部分ビーム２４に付与される。その結果、中間像２６’は、対称的なビーム断面を有し、断面方向は、長手方向中心軸２７に対して垂直に配向されている。
【0144】
焦点ゾーン１８の非対称なビーム断面を実現するために、この第２の変形例の装置１０は、テレスコープデバイス３４に割り当てられている、ビーム分割デバイス４６（図１において破線で示されている）を備える。例えば、ビーム分割デバイス４６は、テレスコープデバイス３４の一部であり、及び／又はテレスコープデバイス３４のビーム経路に配置される。例えば、ビーム分割デバイス４６は、偏光ビーム分割器光学ユニットであるか、又は偏光ビーム分割器光学ユニットを備える。
【0145】
ビーム分割デバイス４６は、特に、遠視野領域４８及び／又はテレスコープデバイス３４の焦点面５０に配置される。例えば、焦点面５０は、第１のレンズ要素３６及び／又は第２のレンズ要素３８の焦点面である。
【0146】
ビーム成形デバイス１６’から出力結合された部分ビーム２４、及び／又は中間像２６’から発せられたビームは、入射ビーム５２としてビーム分割デバイス４６に入射する。これらの入射ビーム５２は、ビーム分割デバイス４６によって、異なる偏光状態を有する異なる部分ビーム５４ａ、５４ｂに各々分割される。
【0147】
図７に示されるビーム分割デバイス４６の例では、入射ビーム５２は、ビーム分割デバイス５６によって、第１の偏光状態を有する第１の部分ビーム５４ａと第２の偏光状態を有する第２の部分ビーム５４ｂとに各々分割される。
【0148】
第１の偏光状態及び第２の偏光状態は、特に、互いに対してほぼ平行垂直に配向された偏光状態、及び／又は直線偏光状態である。特に、第１の部分ビーム５４ａ及び第２の部分ビーム５４ｂは、電界が長手方向ｚ及び／又はビーム伝搬方向（横断電力）に対して垂直な平面内に存在するように偏光される。
【0149】
第１の部分ビーム５４ａは、第２の部分ビーム５４ｂに対して空間オフセットΔｘ及び角度オフセットΔαを有する。
【0150】
特に、第１の部分ビーム５４ａは、テレスコープデバイス３４の光軸５６に対して少なくともほぼ平行に配向され、光軸５６は、例えばビーム成形デバイス１６、１６’の光軸２５に対して平行に配向されるか、それと一致している。
【0151】
ビーム分割デバイス４６から出力結合された第１の部分ビーム５４ａは、テレスコープデバイス３４によって及び／又は第２のレンズ要素３８によって、第１の部分焦点ゾーン５８ａ内に結像される。これに対応して、ビーム分割デバイス４６から出力結合された第２の部分ビーム５４ｂは、テレスコープデバイス３４によって及び／又は第２のレンズ要素３８によって、第２の部分焦点ゾーン５８ｂ内に結像される（図９ａ及び図９ｂ）。
【0152】
第１の部分ビーム５４ａ及び第２の部分ビーム５４ｂの角度オフセットのおかげで、テレスコープデバイス３４による集束の後の結果は、長手方向中心軸４０に対して垂直に配向された方向における第１の部分焦点ゾーン５８ａと第２の部分焦点ゾーン５８ｂとの間の空間オフセットΔｂとなる。
【0153】
第１の部分焦点ゾーン５８ａは、第１の長手方向中心軸６０ａに沿って延び、第２の部分焦点ゾーン５８ｂは、第２の長手方向中心軸６０ｂに沿って延びる。第１の長手方向中心軸６０ａ及び第２の長手方向中心軸６０ｂは、長手方向ｚ及び／又はビーム伝搬方向に延びる。
【0154】
特に、第１の部分焦点ゾーン５８ａ及び第２の部分焦点ゾーン５８ｂは各々、少なくともほぼ対称的なビーム断面を有し、断面方向はそれぞれ、第１の長手方向中心軸６０ａ及び第２の長手方向中心軸６０ｂに対して垂直に配向される。
【0155】
焦点ゾーン１８は、第１の部分焦点ゾーン５８ａ及び第２の部分焦点ゾーン５８ｂの少なくとも部分的な空間オーバーラップ及び／又は重ね合わせによって形成される。それによって形成された焦点ゾーン１８のビーム断面は、非対称であり、特に楕円形である（図９ａ及び図９ｂを参照）。
【0156】
第１の部分ビーム５４ａ及び第２の部分ビーム５４ｂは、相互にインコヒーレントな部分ビームであり、及び／又は互いに固定された位相関係を有さず、したがって、特に第１の部分ビーム５４ａ及び第２の部分ビーム５４ｂは互いに干渉しない。第１の部分ビーム５４ａ及び第２の部分ビーム５４ｂの空間オーバーラップの場合、結果は、したがって、第１の部分ビーム５４ａのそれぞれの強度及び第２の部分ビーム５４ｂのそれぞれの強度の加算となる。
【0157】
図９ａ及び図９ｂに示される例では、第１の長手方向中心軸６０ａは、第２の長手方向中心軸６０ｂに対して少なくともほぼ平行に配向されている。焦点ゾーン１８の長手方向中心軸４０は、第１の長手方向中心軸６０ａ及び第２の長手方向中心軸６０ｂに対して対称であり、及び／又は中心である。
【0158】
図７に示される例では、ビーム分割デバイス４６は、複屈折偏光要素６２を備える。空間オフセットΔｘ及び角度オフセットΔαの両方が、複屈折偏光要素６２によって第１の部分ビーム５４ａと第２の部分ビーム５４ｂとの間に生成される。
【0159】
ビーム分割デバイス４６のビーム入口面６４及び／又はビーム入口面は、この複屈折偏光要素６２上に形成されている。
【0160】
複屈折偏光要素６２の光軸６６は、ビーム入口面６４に対して及び／又はテレスコープデバイス３４の光軸５６に対して、例えば４５°の角度で配向される。
【0161】
ビーム分割デバイス４６はまた、長手方向ｚにおいて複屈折偏光要素６２の下流に配置された等方性要素６８を備える。第１の部分ビーム５４ａは、この等方性要素６８によって、光軸５６に対して平行に配列される。
【0162】
複屈折偏光要素６２及び／又は等方性要素６８は、例えば、くさび形の設計を有する。
【0163】
【0164】
光軸５６に対する第１の部分ビーム５４ａの平行な整列及び光軸５６上でのそれらの位置決めのために、図８による実施形態は、一方が他方の後ろに配置された２つの複屈折偏光要素６２を備える。
【0165】
【0166】
ビーム分割デバイス４６の動作モード及び設計に関しては、同一出願人による（特許文献４）（出願日：２０２０年６月２２日）への参照がなされる。本明細書の内容全体に対して、明示的な参照がなされる。
【0167】
ワークピースをレーザ加工するための装置１０’の更なる実施形態（図２）は、テレスコープデバイス３４’の代替変形例が提供される点において、本質的に上述の実施形態と異なる。
【0168】
テレスコープデバイス３４’の場合、第１のレンズ要素３６は、ビーム成形デバイス１６、１６’に一体化されるか、又はビーム成形デバイスのビーム出口面２２に配置される。これにより、特に装置１０’は、特にコンパクトな構成及び／又は個々の構成要素の数が減少した構成を有することが可能になる。
【0169】
例えば、第１のレンズ要素３６の機能は、ビーム成形デバイス１６、１６’に統合される。
【0170】
装置１０’の場合に形成され、且つ焦点ゾーン１８に割り当てられる中間像６８は、必ずしも上述した中間像２６、２６’の特性を有しない。中間像２６、２６’と比較して、中間像６８は、この場合に修正されるビームプロファイルのおかげで異なる形態を有する。特に、中間像６８は、中間像２６、２６’及び／又は焦点ゾーン１８と比較して異なる形状を有する。
【0171】
他の全ての点において、装置１０’は、基本的に、上述した装置１０の変形例と同じ構造及び同じ動作モードを有し、したがって、この点においてその説明への参照がなされる。
【0172】
長手方向中心軸４０の方向における焦点ゾーン１８の長さｌ、及び／又は、長手方向中心軸２８に対して垂直に配向されたｘ方向及びｙ方向における直径ｄｘ、ｄｙをそれぞれ判定するために、判定された強度閾値超の強度値のみを有する修正強度分布に対して考慮を行い、強度閾値は、実際の強度分布の全体強度最大値の特に５０％とする。これは、焦点ゾーン１８の直径ｄｘ、ｄｙに対して図１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃにおいて概略的に示されている。
【0173】
焦点ゾーン１８の長さｌは、例えば、修正強度分布に基づいて採用された、長手方向中心軸４０に沿った焦点ゾーン１８の範囲の最大長さ及び／又は最大範囲の長さを意味すると理解される。図９ａに示される例では、長さｌは、例えば、焦点ゾーン１８の対応する湾曲した長さ及び／又は弧の長さ及び／又は円弧長を意味する。
【0174】
装置１０は、長手方向ｚにおいてレーザ源１２とビーム成形デバイス１６、１６’との間に配置される更なるテレスコープデバイス６９を備えてもよい。この更なるテレスコープデバイス４２は、ビーム成形デバイス１６、１６’に入射する入力レーザビーム１４の直径ｄ０を制御及び／又は調節するために使用され得る。
【0175】
直径ｄ０を制御及び／又は調節することによって、焦点ゾーンの長さｌ及び／又は焦点ゾーン１８の中間像２６、２６’の長さを制御及び／又は調節することが可能である。長さｌは、直径ｄ０が増加するにつれて増加する。
【0176】
本発明による装置１０、１０’は、以下のように動作する。
【0177】
装置１０、１０’によってワークピース７０に加工動作を実施するために、焦点ゾーン１８はワークピース７０の材料７２に適用され、焦点ゾーン１８は材料７２に対して相対的に移動される。
【0178】
特に、材料７２は、入力レーザビーム１４の波長及び／又は入力レーザビーム１４から形成された焦点ゾーン１８の波長に対して透明又は部分的に透明である材料である。例えば、材料７２は、ガラス材料である。
【0179】
【0180】
焦点ゾーン１８を材料７２に適用することにより、加工線７４及び／又は加工面上の材料７２の強度を低下させる局所的な材料修正が、加工線７４及び／又は加工面上のこの材料７２に形成される。
【0181】
これにより、例えば機械力を加えることによって、材料修正が加工線７４及び／又は加工面上に形成された後に、材料７２を２つの異なるセグメントに分離することが可能になる。
【0182】
図１１、図１２ａ、及び図１２ｂは、例えば、第１の外面７４から第１の外面７４の反対側に位置する第２の外面７６まで延びる焦点ゾーン１８ａの第１の変形例による材料７２の加工を示しており、第１の外面７４は、材料７２の材料厚さＤだけ第２の外面７６から間隔をあけて配置されている。示された例では、第１の焦点ゾーン１８ａは、少なくとも材料厚さＤ全体にわたって延びている。これにより、例えば、材料厚さＤ全体にわたって延びているセグメント８０を材料７２から分離することが可能となる。
【0183】
焦点ゾーン１８ｂの第２の変形例は、特定の部分において材料７２を通って延びている。これにより、例えば、１／４円のプロファイルを有するセグメント８２を材料７２から分離することが可能になる（図１２ｂ）。焦点ゾーン１８ｂは、例えば、材料７２の縁部８４を丸めることを可能にする。
【0184】
材料７２に対する焦点ゾーン１８の前進方向８６は、加工線７４に対して平行に配向されている。
【0185】
図１３は、材料７２に対する焦点ゾーン１８の相対移動によって形成される複数の修正領域８８を示している。特に、焦点ゾーン１８の断面は、断面の長軸が前進方向８６に対して少なくともほぼ平行に配向されるように、及び／又は断面の短軸が前進方向８６に対して横断方向に、特に垂直に配向されるように、整列されている。
【0186】
図１３に示される例では、焦点ゾーン１８は、楕円形の断面を有する。より大きな半軸及び／又はより大きな直径ｄｙは、前進方向８６に対して少なくともほぼ平行に配向されている。
【0187】
これにより、隣接する修正領域８８の間に、特に制御された方法でクラック９０を形成することが可能になり、その結果、材料７２の最適な分離を実現することが可能になる。
【0188】
クラック９０は、特に、隣接する修正領域８８間の最短の接続線に対して少なくともほぼ平行に整列されている。
【符号の説明】
【0189】
β１ コーン角度
Δｘ 空間オフセット
Δｂ 空間オフセット
Δα 角度オフセット
ｄｘ ｘ方向の直径
ｄｙ ｙ方向の直径
ｄ０ 直径
Ｄ 材料の厚さ
ｌ 長さ
ｚ 長手方向
１０、１０’ 装置
１２ レーザ源
１４ 入力レーザビーム
１６、１６’ ビーム成形デバイス
１８ 焦点ゾーン
１８ａ、１８ｂ 焦点ゾーン
２０ ビーム入口面
２２ ビーム出口面
２４ 部分ビーム
２５ 光軸
２６、２６’ 中間像
２７ 長手方向中心軸
２８ 不連続点
３０ａ 第１の部分領域
３０ｂ 第２の部分領域
３２ａ 第１の境界点
３２ｂ 第２の境界点
３４、３４’ テレスコープデバイス
３６ 第１のレンズ要素
３８ 第２のレンズ要素
４０ 長手方向中心軸
４２ 全体の最大強度分布
４４ ２次強度分布
４６ ビーム分割デバイス
４８ 遠視野領域
５０ 焦点面
５２ 入射ビーム
５４ａ 第１の部分ビーム
５４ｂ 第２の部分ビーム
５６ 光軸
５８ａ 第１の部分焦点ゾーン
５８ｂ 第２の部分焦点ゾーン
６０ａ 第１の長手方向中心軸
６０ｂ 第２の長手方向中心軸
６２ 複屈折偏光要素
６４ ビーム入口面
６６ 光軸
６８ 中間像
６９ 更なるテレスコープデバイス
７０ ワークピース
７２ 材料
７４ 加工線
７６ 第１の外面
７８ 第２の外面
８０ セグメント
８２ セグメント
８４ 縁部
８６ 前進方向
８８ 修正領域
９０ クラック
Δｘ 空間オフセット
Δｂ 空間オフセット
Δα 角度オフセット
ｄｘ ｘ方向の直径
ｄｙ ｙ方向の直径
ｄ０ 直径
Ｄ 材料の厚さ
ｌ 長さ
ｚ 長手方向
１０、１０’ 装置
１２ レーザ源
１４ 入力レーザビーム
１６、１６’ ビーム成形デバイス
１８ 焦点ゾーン
１８ａ、１８ｂ 焦点ゾーン
２０ ビーム入口面
２２ ビーム出口面
２４ 部分ビーム
２５ 光軸
２６、２６’ 中間像
２７ 長手方向中心軸
２８ 不連続点
３０ａ 第１の部分領域
３０ｂ 第２の部分領域
３２ａ 第１の境界点
３２ｂ 第２の境界点
３４、３４’ テレスコープデバイス
３６ 第１のレンズ要素
３８ 第２のレンズ要素
４０ 長手方向中心軸
４２ 全体の最大強度分布
４４ ２次強度分布
４６ ビーム分割デバイス
４８ 遠視野領域
５０ 焦点面
５２ 入射ビーム
５４ａ 第１の部分ビーム
５４ｂ 第２の部分ビーム
５６ 光軸
５８ａ 第１の部分焦点ゾーン
５８ｂ 第２の部分焦点ゾーン
６０ａ 第１の長手方向中心軸
６０ｂ 第２の長手方向中心軸
６２ 複屈折偏光要素
６４ ビーム入口面
６６ 光軸
６８ 中間像
６９ 更なるテレスコープデバイス
７０ ワークピース
７２ 材料
７４ 加工線
７６ 第１の外面
７８ 第２の外面
８０ セグメント
８２ セグメント
８４ 縁部
８６ 前進方向
８８ 修正領域
９０ クラック
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9a】
【図9b】
【図10a-10c】
【図11】
【図12a】
【図12b】
【図13】
【国際調査報告】