EP3735333A1 - Verfahren und laserbearbeitungsmaschine zur oberflächenstrukturierung lasertransparenter werkstücke - Google Patents

Verfahren und laserbearbeitungsmaschine zur oberflächenstrukturierung lasertransparenter werkstücke

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EP3735333A1
EP3735333A1 EP18829785.7A EP18829785A EP3735333A1 EP 3735333 A1 EP3735333 A1 EP 3735333A1 EP 18829785 A EP18829785 A EP 18829785A EP 3735333 A1 EP3735333 A1 EP 3735333A1
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EP
European Patent Office
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laser
workpiece
ukp
pulse
modification
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18829785.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sören Richter
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Publication date
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    • C03C2201/02—Pure silica glass, e.g. pure fused quartz

Definitions

  • the invention relates to a method for producing surface structures on laser-transparent workpieces, in particular of glass or plastic.
  • Ultrashort pulsed (UKP) laser radiation with pulse durations less than 10 ps is increasingly used for material processing.
  • the peculiarity of the material processing with UKP laser radiation lies in the short interaction time of the Laser radiation with the workpiece.
  • the laser welding of laser-transparent glasses by means of ultrashort (UKP) laser pulses enables a stable connection without additional use of material, but is limited by laser-induced transient and permanent voltages.
  • the background is the local melting of the material by means of ultrashort laser pulses. If ultrashort laser pulses are focused into the volume of glass, eg quartz glass, the high intensity present in the focus leads to non-linear absorption processes, as a result of which different material modifications can be induced, depending on the laser parameters.
  • the temperature in the focus area increases from pulse to pulse (so-called heat accumulation) and can lead to local melting. Placing the modification in the interface of two glasses, the cooling melt generates a stable connection of both samples.
  • the present invention has as its object to produce laser-transparent workpieces reproducible stable surface structures, in particular in the form of spherical segments and their derivatives, with a height of a few pm and without additional substructures and specify a suitable machine for this purpose Laserbearbei.
  • This object is achieved by a method for generating surface structures on a laser-transparent workpiece, in particular of glass or plastic, by means of a pulsed laser beam in the form of UKP laser pulses, wherein at least one UKP laser pulse is focused through the workpiece surface into the laser-transparent workpiece in order to piece inside by heating the focus volume fürschmel zen a modification, and wherein the pulse parameters of the at least one UKP laser pulse and the depth of the laser focus in the workpiece are chosen such that the uppermost part of the molten modification just touches the workpiece surface and thermal expansion of the molten modification Workpiece surface is curved outward to a convex surface structure.
  • several UKP laser pulses are focused through the workpiece surface into the laser-transparent workpiece in order to melt a modification in the workpiece by gradually heating the focus volume, wherein the pulse parameters of the plurality of UKP laser pulses and the depth of the laser focus in the workpiece are selected such that the uppermost part of the molten modification just touches the workpiece surface and, by thermal expansion of the molten modification, the workpiece surface is arched outwards to a convex surface structure.
  • a plurality of ultrashort laser pulses with a small temporal pulse spacing are focused into the workpiece interior material; due to non-linear interaction and the heat accumulation of successive laser pulses, the focus volume is heated, and it forms a typically teardrop-shaped modification in the workpiece. If the deposited energy (given by pulse energy, pulse duration, pulse spacing, focusing, wavelength) is selected correctly and the modification is correctly placed, the uppermost part of the modification just touches the workpiece surface. The thermal expansion of the material then causes the surface to bulge outward.
  • the molten material solidifies again. Since the solidification process is significantly faster than the reflow process, the material is frozen at a higher fictitious temperature.
  • This "modification" (about 100 pm high and 10 pm wide, material and process parameter dependent) has slightly different properties than the original bulk material.
  • Within a molten modification there is a radial temperature distribution. Approximately inside very hot (> 2000 ° C) and outside near room temperature. Thus, the temperature also changes the viscosity of the material, that is, the cold outer material is quite tough, while the hot inner material is more fluid. There is also the thermal expansion of the glass with increasing temperature.
  • the volume modification is now placed close to the workpiece surface during the heating process (as described, the modification grows upwards during the process), the thermal expansion of the hot inner material causes the material to bulge outward.
  • the high viscosity prevents all hot material from leaking to the outside.
  • the position of the modification is crucial. If too hot material strikes the workpiece surface, the viscosity (and therefore surface tension) is no longer sufficient to prevent an uncontrolled expansion / explosion of the hot material to the outside. In the uncontrolled explosion, micro-threads form and many different solidification forms. Due to the surface tension, the defined bulge of the material forms a very homogeneous spherical surface with minimal roughness. When solidifying, the condition of the material is frozen.
  • the introduced laser energy is controlled and the depth (z-position) of the laser focus in the material is set so that the uncontrolled expansion / explosion (as in a volcano) does not hit. Rather, the size of the bulge on the surface can be defined very precisely by the z-position of the laser focus for a given number of pulses and pulse energy.
  • the method according to the invention is a transformation of the workpiece material from the volume to a surface structure without additional material is deposited or removed.
  • the solidification process of the molten material leads due to the surface tension to smooth or homogeneous surface structures.
  • the beam cross section of the laser beam focused in the workpiece is shaped according to the desired cross section of the surface structure.
  • a lens with high numerical aperture (NA> 0.1) is used to achieve the necessary high energy densities so that nonlinear absorption mechanisms (multiphoton absorption, feidedionization or tunnel ionization) occur.
  • NA> 0.1 numerical aperture
  • beam shaping elements such as e.g. Cylindrical lenses, a SLM (spatial light modulator) modulator or diffractive optical elements, use to create other modifications in the material and thus other structures on the surface.
  • the laser focus is point or Gaussian or runs linearly perpendicular to the beam axis to melt in the workpiece interior a teardrop-shaped in longitudinal section modification with a spherical top.
  • the plurality of UKP laser pulses may have a constant pulse spacing of, for example, at most 100 ns, preferably at most 50 ns, particularly preferably at most 20 ns, or be focused in the workpiece in the form of laser bursts.
  • each of the laser burst forming UKP laser pulses on a pulse interval (ns range), which is less than the burst spacing (a few ms) between two laser bursts.
  • the molten modification can be stretched and thus surface structure pulled a little further out of the workpiece surface in comparison to constant pulse intervals.
  • a laser burst has at most 10 UKP laser pulses, in particular at most 5 UKP laser pulses, with a pulse spacing of at most 100 ns, preferably at most 50 ns, particularly preferably at most 20 ns.
  • the burst dissipation rate must be high enough to allow heat accumulation in the workpiece.
  • the or the UKP laser pulses have a pulse energy between 0.1 pJ and 100 pJ, preferably between 1 pJ and 20 pJ, more preferably about 10 pJ, on.
  • the laser beam is preferably moved over the workpiece and thereby the laser focus is moved through the workpiece interior.
  • the modifications never be uniform, so for example, a registered line never be equal. Uniform modifications can only be achieved with very homogenous materials such as borosilicate glasses and suitable process monitoring.
  • the workpiece surface is measured between the several UKP laser pulses and the laser beam is switched off or moved on when a bulge height corresponding to the desired surface structure is achieved. Without corresponding sensors, it must first be experimentally determined how much energy is needed for which surface structure.
  • the UKP laser pulses preferably have a pulse duration of less than 50 ps, preferably less than 1 ps, particularly preferably about 500 fs or less.
  • the invention also relates to a laser processing machine for producing surface structures on a laser-transparent workpiece, in particular made of glass or plastic, with a UKP laser for generating a pulsed laser beam in the form of UKP laser pulses, with a focusing unit which detects the laser beam the workpiece is focused, and with a machine control, which is programmed to control the UKP laser and the focusing unit such that in the workpiece interior by stepwise heating of the focus volume, a modification is melted, the upper part of which just touches the workpiece surface.
  • a beam shaping unit for spatial pulse and beam shaping of the UKP laser pulses is arranged, as e.g. a high numerical aperture lens (NA> 0.1), a cylindrical lens, diffractive optical elements or an SLM modulator.
  • NA> 0.1 numerical aperture lens
  • a cylindrical lens diffractive optical elements
  • SLM modulator SLM modulator
  • the laser processing machine has a sensor system connected to the machine control for measuring the workpiece surface, for example, in the form of a distance sensor arranged on a laser processing head, which measures optically or capacitively the distance to the workpiece surface. If one of the desired surface structure corresponding bulge height is reached, the laser beam is switched off or moved on.
  • the laser processing machine may include a scanner for deflecting the laser beam over the workpiece or a moving unit for moving a laser processing head from which the laser beam exits and / or for moving the workpiece.
  • Fig. 1 shows schematically a laser processing machine for generating
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the workpiece with a plurality of surface structures generated along the feed direction of the pulsed laser beam.
  • the laser processing machine 1 shown in FIG. 1 is used to produce surface structures 10 on a laser-transparent workpiece 2
  • the laser processing machine 1 comprises a UKP laser 4 for generating the Laser beam 3 in the form of UKP laser pulses 5 with pulse durations less than 10 ps and preferably in the femtosecond range, a Z-direction vertically movable laser processing head 6 with a lens 7 high numerical aperture (NA> 0.1), from which the laser beam 3 focused in Direction of the workpiece 2 emerges, a movable in the XY direction workpiece table 8, on which the workpiece rests 2, and a machine control 9, which the laser parameters of the UKP laser 4, the Z position of the laser processing head 6 and the XY Movement of the workpiece table 8 controls.
  • a UKP laser 4 for generating the Laser beam 3 in the form of UKP laser pulses 5 with pulse durations less than 10 ps and preferably in the femtosecond range
  • a Z-direction vertically movable laser processing head 6 with a lens 7 high numerical aperture (NA> 0.1) from which the laser beam 3 focused in Direction of the workpiece 2 emerges
  • a plurality of UKP laser pulses 5 are focused through the workpiece surface 11 into the workpiece 2 in order to melt a convex, teardrop-shaped modification 12 having a spherical top side in the workpiece interior by stepwise heating of the focus volume.
  • the pulse parameters (given by pulse energy, number of pulses, pulse duration, time pulse spacing, wavelength, focus) of the plurality of UKP laser pulses 5 and the depth of the laser focus in the workpiece 2 are selected such that the uppermost part of the molten modification 12 just the workpiece surface 11 touched (Fig. 2).
  • the Z position of the laser focus determines how large the diameter of the spherical surface structure 10 is on the workpiece surface 11.
  • the plurality of UKP laser pulses 5 may have a constant pulse spacing or a constant repetition rate or, as the detail B of FIG. 1 shows, grouped into a plurality of laser bursts 13, the one each Laserburst 13 forming UKP laser pulses 5 have a ns-pulse distance, which is thus significantly lower than the ms Burstabstand between two laser bursts 13th
  • the doctrine of laser burst 13 the since such laser burst 13, the prepared the specified 12 can stretch in the Z direction and thereby the surface structure 10 slightly further from the workpiece surface 11 pull out compared to the constant pulse intervals shown in detail A.
  • the burst dissipation rate must be high enough to allow heat accumulation in the workpiece 2. possible.
  • a pulse energy of 10 pJ is required for a burst propagation rate of ⁇ 100 kHz, whereas for a burst propagation rate of 1 MHz, a pulse energy of 1 m ⁇ already suffices. More average power produces a larger melt volume in the workpiece 2.
  • other beamforming units can be arranged for spatial pulse and beam shaping of the UKP laser pulses 5 in the beam path of the laser beam 3, e.g. Cylindrical lenses, diffractive optical elements or an SML modulator to produce other modifications in the material 12 and thus other surface structures 10.
  • the laser beam 3 in the feed direction v is moved continuously over the workpiece 2 and thereby the laser focus is continuously moved through the workpiece interior.
  • the same surface structures 10 can be generated with the same fixed pulse parameters.
  • the workpiece surface 11 may be formed by means of e.g. Sensor system 14 mounted on the laser processing head 6 are measured so that the machine control unit 9 switches off or moves on the laser beam 3 as soon as a bulge height h corresponding to the desired surface structure 10 has been reached.
  • the Oberflä chen Geben 10 can thus be generated in a controlled manner, either via a sequential approach or via an automatic process monitoring.
  • the material could be modified by the area of the intended bulge in such a way that internal stresses are generated which cause the bulge.

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen (10) an einem lasertransparenten Werkstück (2), insbesondere aus Glas oder Kunststoff, werden ein oder mehrere UKP-Laserpulse (5) durch die Werkstückoberfläche (11) hindurch in das lasertransparente Werkstück (2) fokussiert, um im Werkstückinneren durch Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation (12) aufzuschmelzen, wobei die Pulsparameter des einen oder der mehreren UKP-Laserpulse (5) und die Tiefe des Laserfokus im Werkstück (2) derart gewählt werden, dass der oberste Teil der aufgeschmolzenen Modifikation (12) gerade die Werkstückoberfläche (11) berührt und durch thermische Materialexpansion der aufgeschmolzenen Modifikation (12) die Werkstückoberfläche (11) nach außen zu einer konvexen Oberflächenstruktur (10) gewölbt wird.

Description

Verfahren und Laserbearbeitungsmaschine zur Oberflächenstrukturierung lasertransparenter Werkstücke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen an lasertransparenten Werkstücken, insbesondere aus Glas oder Kunststoff.
Ultrakurz gepulste (UKP)-Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 10 ps wird zunehmend für die Materialbearbeitung eingesetzt. Die Besonderheit der Material bearbeitung mit UKP-Laserstrahlung liegt in der kurzen Wechselwirkungszeit der Laserstrahlung mit dem Werkstück. Das Laserschweißen von lasertransparenten Gläsern mittels ultrakurzer (UKP)-Laserpulse ermöglicht eine stabile Verbindung ohne zusätzlichen Materialeinsatz, ist aber durch laserinduzierte transiente sowie permanente Spannungen limitiert. Hintergrund ist das lokale Aufschmelzen des Materials mittels ultrakurzer Laserpulse. Fokussiert man ultrakurze Laserpulse in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, führt die im Fokus vorliegende hohe Intensität zu nichtlinearen Absorptionsprozessen, wodurch, in Abhängigkeit der Laserparameter, verschiedene Materialmodifikationen induziert werden können. Wenn der zeitliche Pulsabstand kürzer als die typische Wärmediffusionszeit des Glases ist, erhöht sich die Temperatur im Fokusbereich von Puls zu Puls (sog. Wärmeakkumulation) und kann zum lokalen Aufschmelzen führen. Platziert man die Modifikation in der Grenzfläche zweier Gläser, generiert die abkühlende Schmelze eine stabile Verbindung beider Proben.
Aus dem Artikel„To ward laser welding of g lasses without optical contacting“ von Sören Richter (Appl. Phys. A 2015) und der Dissertation“Direct laser bonding of transparent materials using ultrashort laser pulses at high repetition rates” (FSU Universität Jena) von Sören Richter ist es bekannt, beim Laserfügen den Spalt zwischen zwei einander überlappenden Glasplatten durch laserinduzierte Modifikationen zu überbrücken, die aus der Fügefläche des einen Fügepartners bis zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Fügefläche des anderen Fügepartners ausgewölbt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, an lasertransparenten Werkstücken reproduzierbare stabile Oberflächenstrukturen, insbesondere in Form von Kugelsegmenten und deren Derivaten, mit einer Höhe von wenigen pm und ohne zusätzliche Substrukturen zu erzeugen sowie eine hierfür geeignete Laserbearbei tungsmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen an einem lasertransparenten Werkstück, insbesondere aus Glas oder Kunststoff, mittels eines gepulsten Laserstrahls in Form von UKP- Laserpulsen, wobei mindestens ein UKP-Laserpuls durch die Werkstückoberfläche hindurch in das lasertransparente Werkstück fokussiert wird, um im Werk- stückinneren durch Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation aufzuschmel zen, und wobei die Pulsparameter des mindestens einen UKP-Laserpulses und die Tiefe des Laserfokus im Werkstück derart gewählt werden, dass der oberste Teil der aufgeschmolzenen Modifikation gerade die Werkstückoberfläche berührt und durch thermische Materialexpansion der aufgeschmolzenen Modifikation die Werkstückoberfläche nach außen zu einer konvexen Oberflächenstruktur gewölbt wird. Im Falle eines einzigen UKP-Laserpulses wird erfindungsgemäß die Modifi kation ohne Wärmeakkumulation erzeugt, wobei dann die Pulsenergie sehr gut passen muss: Ist sie zu gering, entsteht nur eine Brechzahlmodifikation; ist sie zu hoch, sind die induzierten Spannungen zu hoch, und alles reist auf.
Besonders bevorzugt werden mehrere UKP-Laserpulse durch die Werkstückoberfläche hindurch in das lasertransparente Werkstück fokussiert, um im Werkstück inneren durch schrittweises Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation aufzuschmelzen, wobei die Pulsparameter der mehreren UKP-Laserpulse und die Tiefe des Laserfokus im Werkstück derart gewählt werden, dass der oberste Teil der aufgeschmolzenen Modifikation gerade die Werkstückoberfläche berührt und durch thermische Materialexpansion der aufgeschmolzenen Modifikation die Werkstückoberfläche nach außen zu einer konvexen Oberflächenstruktur gewölbt wird. Erfindungsgemäß werden mehrere ultrakurze Laserpulse mit geringem zeitli chem Pulsabstand in das Werkstückinnere Material fokussiert; auf Grund nicht linearer Wechselwirkung und der Wärmeakkumulation aufeinanderfolgender Laserpulse wird das Fokusvolumen erwärmt, und es bildet sich eine typischerweise tropfenförmige Modifikation im Werkstück. Wird die deponierte Energie (gegeben durch Pulsenergie, Pulsdauer, Pulsabstand, Fokussierung, Wellenlänge) richtig gewählt und die Modifikation korrekt platziert, so berührt der oberste Teil der Modifikation gerade die Werkstückoberfläche. Die thermische Materialexpansion sorgt dann für ein Auswölben der Oberfläche nach außen.
Bei Pulsabständen im ns-Bereich ist im Werkstück noch eine Restwärme des vorherigen Laserpulses vorhanden, so dass das Fokusvolumen schrittweise aufgewärmt wird. Durch Wärmediffusion wird auch das umliegende Material erwärmt. Durch die hohen lokalen Temperaturen werden thermische Elektronen (entsprechend der Boltzmannverteilung) erzeugt. Vorhandene freie Elektronen sorgen da- für, dass der nächste Laserpuls nicht mehr zwingend auf nichtlineare Mehrphoto- nenprozesse angewiesen ist. Somit steigt die Absorptionswahrscheinlichkeit an, und der nächste Laserpuls wird bereits weiter oben (in Richtung der Werkstück- Oberfläche bzw. der Laseroptik) absorbiert. Der Absorptionspunkt verschiebt sich also im Lauf des Prozesses nach oben. Bedingt durch Wärmediffusion in das um gebende Material bildet sich eine tröpfchenförmige Geometrie. Wenn die Laserheizung abbricht, z.B. weil der Laser ausgeschaltet wurde, weil Streuung dafür sorgt, dass keine Energie mehr ankommt, oder weil der Laserfokus wegbewegt wurde, erstarrt das aufgeschmolzene Material wieder. Da der Erstarrungsvorgang deutlich schneller ist als der Aufschmelzprozess, wird das Material auf einer höheren fiktiven Temperatur eingefroren. Diese„Modifikation“ (etwa 100 pm hoch und 10 pm breit, Material- und Prozessparameter-abhängig) hat leicht andere Eigenschaften als das ursprüngliche Volumenmaterial. Innerhalb einer aufgeschmolzenen Modifikation gibt es eine radiale Temperaturverteilung. Näherungsweise innen ganz heiß (> 2000 °C) und außen nahe Raumtemperatur. Somit ändert sich mit der Temperatur auch die Viskosität des Materials, d.h., das kalte äußere Material ist ziemlich zäh, während das heiße innere Material eher flüssig ist. Zudem gibt es noch die thermische Ausdehnung des Glases mit steigender Temperatur.
Wird die Volumenmodifikation nun während des Heizprozesses nah an die Werk- stückoberfläche gelegt (wie beschrieben wächst die Modifikation während des Prozesses nach oben), sorgt die thermische Ausdehnung des heißen inneren Materials dafür, dass sich das Material nach außen wölbt. Gleichzeitig verhindert die hohe Viskosität, dass das gesamte heiße Material nach außen tritt. Hier ist die Position der Modifikation ganz entscheidend. Trifft zu heißes Material auf die Werkstückoberfläche, reicht die Viskosität (und damit Oberflächenspannung) nicht mehr aus, um eine unkontrollierte Expansion/Explosion des heißen Materials nach außen zu verhindern. Bei der unkontrollierten Explosion bilden sich Mikrofäden und viele unterschiedliche Erstarrungsformen. Bei der definierten Auswölbung des Materials bildet sich aufgrund der Oberflächenspannung eine sehr homogene kugelförmige Oberfläche mit minimaler Rauigkeit. Beim Erstarren wird der Zustand des Materials eingefroren. Erfindungsgemäß wird die eingebrachte Laserenergie derart gesteuert und die Tiefe (z-Lage) des Laserfokus im Material so gesetzt, dass die unkontrollierte Expansion/Explosion (wie bei einem Vulkan) nicht auftrifft. Vielmehr kann durch die z-Lage des Laserfokus bei gegebener Pulsanzahl und Pulsenergie sehr genau die Größe der Auswölbung auf der Oberfläche definiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um eine Umformung des Werkstückmaterials aus dem Volumen zu einer Oberflächenstruktur, ohne dass zusätzlich Material deponiert oder entfernt wird. Der Erstarrungsprozess des aufgeschmolzenen Materials führt aufgrund der Oberflächenspannung zu glatten bzw. homogenen Oberflächenstrukturen.
Vorzugsweise wird der Strahlquerschnitt des in das Werkstück fokussierten Laserstrahls entsprechend dem gewünschten Querschnitt der Oberflächenstruktur geformt. Für gewöhnlich wird dazu ein Objektiv mit hoher numerischen Apertur (NA >0,1) verwendet, damit die notwendigen hohen Energiedichten erreicht werden, so dass nichtlineare Absorptionsmechanismen (Mehrphotonenabsorption, Feidioni- sierung oder Tunnelionisation) auftreten. Steht ein Laserstrahl mit ausreichend Pulsenergie zur Verfügung, kann man zur räumlichen Puls- und Strahlformung (anstelle oder zusätzlich zum erwähnten Objektiv) aber auch Strahlformungselemente, wie z.B. Zylinderlinsen, einen SLM(spatial light modulator)-Modulator oder diffraktive optische Elemente, verwenden, um andere Modifikationen im Material und somit andere Strukturen auf der Oberfläche zu erzeugen. So können anstelle von einzelnen Kugelauswölbung auf der Werkstückoberfläche auch linien- oder flächenförmige Oberflächenstrukturen, wie z.B.„weichgezeichnete“ Linien, Kreuze, Haken etc., oder auch Pyramidenstrukturen durch einen sequentiellen Aufbau aus mehreren Auswölbungen erzeugt werden. Eine Skalierung für den gleichzeiti gen Aufbau mehrerer Oberflächenstrukturen erfolgt über räumliche Strahlformung (Linsenarrays, diffraktive optische Elemente (DOEs)), wodurch mehrere Laserspots gleichzeitig nebeneinander erzeugt und so mehrere Modifikationen und Oberflächenstrukturen gleichzeitig erzeugt werden.
Bevorzugt ist der Laserfokus punkt- oder gaußförmig oder verläuft linienförmig rechtwinklig zur Strahlachse, um im Werkstückinneren eine im Längsschnitt tropfenförmige Modifikation mit einer kugelförmigen Oberseite aufzuschmelzen. Die mehreren UKP-Laserpulse können einen konstanten Pulsabstand von z.B. höchstens 100 ns, bevorzugt höchstens 50 ns, besonders bevorzugt höchstens 20 ns aufweisen oder in Form von Laserbursts in das Werkstück fokussiert werden.
Im letzteren Fall weisen die jeweils einen Laserburst ausbildenden UKP- Laserpulse einen Pulsabstand (ns-Bereich) auf, der geringer ist als der Burstabstand (einige ms) zwischen zwei Laserbursts. Durch solche Laserbursts lässt sich die aufgeschmolzene Modifikation strecken und dadurch Oberflächenstruktur etwas weiter aus der Werkstückoberfläche herausziehen im Vergleich zu konstanten Pulsabständen. Vorzugsweise weist ein Laserburst höchstens 10 UKP- Laserpulse, insbesondere höchstens 5 UKP-Laserpulse, mit einem Pulsabstand von höchstens 100 ns, bevorzugt höchstens 50 ns, besonders bevorzugt höchs- tens 20 ns, auf. Die Burstrepetitionsrate muss hoch genug sein, um im Werkstück Wärmeakkumulation zu ermöglichen. D.h., bei einer Burstrepetitionsrate von ~ 100 kHz braucht man beispielsweise eine Pulsenergie von 10 pJ, bei einer Burstrepetitionsrate von 1 MHz reicht schon eine Pulsenergie von 1 pJ. Mehr mittlere Pulsleistung erzeugt in jedem Fall ein größeres Schmelzvolumen im Werkstück.
Vorzugsweise weisen der bzw. die UKP-Laserpulse eine Pulsenergie zwischen 0,1 pJ und 100 pJ, bevorzugt zwischen 1 pJ und 20 pJ, besonders bevorzugt ca. 10 pJ, auf.
Zum Erzeugen von linienförmigen Oberflächenstrukturen werden bevorzugt der Laserstrahl über das Werkstück und dadurch der Laserfokus durch das Werkstückinnere bewegt. Beispielsweise bei Kieselglas können bei dieser kontinuierlichen Bewegung des Laserstrahls durch das Werkstück- bedingt durch Streuung an Inhomogenitäten und an dem thermisch induzierten Brechzahlprofil der Modifi kation - die Modifikationen nie ganz gleichförmig sein, also beispielsweise eine eingeschriebene Linie nie gleich hoch sein. Gleichförmige Modifikationen können nur bei sehr homogenen Werkstoffen wie Borosilikatgläsern und einer geeigneten Prozessüberwachung erreicht werden.
In einer Verfahrensvariante werden gleiche Oberflächenstrukturen an unterschiedlichen Orten jeweils mit den gleichen, fest vorgegebenen Pulsparametern erzeugt. Anstelle den Laserfokus kontinuierlich durch das Material zu verfahren, wird Punkt für Punkt gearbeitet: Zunächst wird ein Punkt angefahren und das Material dort mit einer fest definierten Energie (Pulsenergie*Pulsanzahl) bestrahlt, so dass sich eine Auswölbung ausbildet. Danach wird an einem anderen Ort mit der gleichen definierten Energie dieselbe Auswölbung erzeugt.
In einer alternativen oder zusätzlichen Verfahrensvariante wird beim Erzeugen einer Oberflächenstruktur die Werkstückoberfläche zwischen den mehreren UKP- Laserpulsen vermessen und der Laserstrahl ausgeschaltet oder weiterbewegt, wenn eine der gewünschten Oberflächenstruktur entsprechende Auswölbungshö- he erreicht ist. Ohne eine entsprechende Sensorik muß vorab experimentell bestimmt werden, wieviel Energie für welche Oberflächenstruktur nötig ist.
Vorzugsweise weisen die UKP-Laserpulse eine Pulsdauer kleiner als 50 ps, bevorzugt kleiner 1 ps, besonders bevorzugt ca. 500 fs oder weniger, auf.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen an einem lasertransparenten Werkstück, insbesondere aus Glas oder Kunststoff, mit einem UKP-Laser zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls in Form von UKP-Laserpulsen, mit einer Fokussiereinheit, die den Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert, und mit einer Maschinensteuerung, die programmiert ist, den UKP-Laser und die Fokussiereinheit derart anzusteuern, dass im Werkstückinneren durch schrittweises Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation aufgeschmolzen wird, deren oberster Teil gerade die Werkstückoberfläche berührt.
Vorzugsweise ist im Strahlengang des gepulsten Laserstrahls eine Strahlformungseinheit zur räumlichen Puls- und Strahlformung der UKP-Laserpulse angeordnet, wie z.B. ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur (NA >0,1), eine Zylinderlinse, diffraktive optische Elemente oder ein SLM-Modulator. Durch eine hohe numerische Apertur kann eine geringere Pulsenergie verwendet werden, und die Größe der Modifikationen kann kleiner erhalten werden.
Weiter bevorzugt weist die Laserbearbeitungsmaschine eine mit der Maschinensteuerung verbundene Sensorik zum Vermessen der Werkstückoberfläche auf, beispielsweise in Form eines an einem Laserbearbeitungskopf angeordneten Abstandssensors, der optisch oder kapazitiv den Abstand zur Werkstückoberfläche misst. Ist eine der gewünschten Oberflächenstruktur entsprechende Auswölbungshöhe erreicht, wird der Laserstrahl ausgeschaltet oder weiterbewegt.
Um den Laserstrahl relativ zum Werkstück zu bewegen, kann die Laserbearbeitungsmaschine einen Scanner zum Ablenken des Laserstrahls über das Werkstück oder aber eine Bewegungseinheit zum Bewegen eines Laserbearbeitungskopfes, aus dem der Laserstrahl austritt, und/oder zum Bewegen des Werkstückes aufweisen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Erzeugen von
Oberflächenstrukturen an einem lasertransparenten Werkstück mittels eines gepulsten Laserstrahls; und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Werkstück mit mehreren entlang der Vorschubrichtung des gepulsten Laserstrahls erzeugten Oberflächenstrukturen.
Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen 10 an einem lasertransparenten Werkstück 2 aus
(Quarz)Glas mittels eines gepulsten Laserstrahls 3. Exemplarisch wird im Folgenden von Glas gesprochen. Die vorgestellten Prozesse sind aber auch für andere lasertransparente Werkstoffe, vor allem für Kunststoffe, denkbar.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen UKP-Laser 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3 in Form von UKP-Laserpulsen 5 mit Pulsdauern kleiner als 10 ps und bevorzugt im Femtosekundenbereich, einen in Z-Richtung höhenverfahrbaren Laserbearbeitungskopf 6 mit einem Objektiv 7 hoher numerischer Apertur (NA >0,1), aus dem der Laserstrahl 3 fokussiert in Richtung auf das Werkstück 2 aus- tritt, einen in X-Y-Richtung verfahrbaren Werkstücktisch 8, auf dem das Werkstück 2 aufliegt, sowie eine Maschinensteuerung 9, welche die Laserparameter des UKP-Lasers 4, die Z-Position des Laserbearbeitungskopfes 6 und die X-Y- Bewegung des Werkstücktisches 8 steuert.
Zum Erzeugen einer Oberflächenstruktur 10 werden mehrere UKP-Laserpulse 5 durch die Werkstückoberfläche 11 hindurch in das Werkstück 2 fokussiert, um im Werkstückinneren durch schrittweises Erwärmen des Fokusvolumens eine zu der Werkstückoberfläche 11 hin konvexe, tropfenförmige Modifikation 12 mit einer kugelförmigen Oberseite aufzuschmelzen. Dabei werden die Pulsparameter (gegeben durch Pulsenergie, Pulsanzahl, Pulsdauer, zeitlicher Pulsabstand, Wellenlän- ge, Fokussierung) der mehreren UKP-Laserpulse 5 und die Tiefe des Laserfokus im Werkstück 2 derart gewählt, dass der oberste Teil der aufgeschmolzenen Modifikation 12 gerade die Werkstückoberfläche 11 berührt (Fig. 2). Durch thermische Materialexpansion der aufgeschmolzenen Modifikation 12 wird dann die Werk stückoberfläche 11 nach außen zu einer kugelsegmentförmigen Oberflächenstruktur 10 ausgewölbt. Dabei bestimmt die Z-Lage des Laserfokus, wie groß der Durchmesser der kugelförmigen Oberflächenstruktur 10 auf der Werkstückoberflä- che 11 ist.
Die mehreren UKP-Laserpulse 5 können, wie das Detail A der Fig. 1 zeigt, einen konstanten Pulsabstand bzw. eine konstante Repetitionsrate aufweisen oder, wie das Detail B der Fig. 1 zeigt, in mehreren Laserbursts 13 gruppiert sein, wobei die jeweils einen Laserburst 13 ausbildenden UKP-Laserpulse 5 einen ns-Puls- abstand aufweisen, der somit deutlich geringer ist als der ms-Burstabstand zwischen zwei Laserbursts 13. Durch solche Laserbursts 13 lässt sich die aufge schmolzene Modifikation 12 in Z-Richtung strecken und dadurch die Oberflächenstruktur 10 etwas weiter aus der Werkstückoberfläche 11 herausziehen im Vergleich zu den im Detail A gezeigten konstanten Pulsabständen. Die Burstrepetitionsrate muss hoch genug sein, um im Werkstück 2 Wärmeakkumulation zu er- möglichen. Hierfür ist beispielsweise bei einer Burstrepetitionsrate von ~ 100 kHz eine Pulsenergie von 10 pJ erforderlich, wohingegen bei einer Burstrepetitionsrate von 1 MHz schon eine Pulsenergie von 1 mϋ reicht. Mehr mittlere Leistung erzeugt im Werkstück 2 ein größeres Schmelzvolumen.
Statt des Objektives 7 hoher numerischer Apertur (NA >0,1) können zur räumli chen Puls- und Strahlformung der UKP-Laserpulse 5 im Strahlengang des Laser strahls 3 auch andere Strahlformungseinheiten angeordnet sein, z.B. Zylinderlinsen, diffraktive optische Elemente oder ein SML-Modulator, um im Material andere Modifikationen 12 und somit andere Oberflächenstrukturen 10 zu erzeugen.
Zum Erzeugen einer iinienförmigen Oberflächenstruktur 10 werden der Laserstrahl 3 in Vorschubrichtung v kontinuierlich über das Werkstück 2 und dadurch der Laserfokus kontinuierlich durch das Werkstückinnere bewegt. Hingegen können, wie in Fig. 2 gezeigt ist, durch sequentielles Bewegen des Laserstrahls 3 in Vorschubrichtung v an unterschiedlichen Orten jeweils mit den gleichen, fest vorgegebenen Pulsparametern gleiche Oberflächenstrukturen 10 erzeugt werden. Beim Erzeu- gen einer Oberflächenstruktur 10 kann zwischen den mehreren UKP-Laserpulsen 5 die Werkstückoberfläche 11 mittels einer z.B. am Laserbearbeitungskopf 6 angebrachten Sensorik 14 vermessen werden, damit die Maschinensteuerung 9 den Laserstrahl 3 ausschaltet oder weiterbewegt, sobald eine der gewünschten Oberflächenstruktur 10 entsprechende Auswölbungshöhe h erreicht ist. Die Oberflä chenstrukturen 10 können also kontrolliert erzeugt werden, entweder über einen sequentiellen Ansatz oder über eine automatische Prozessüberwachung.
Es ist denkbar, dass neben der thermischen Expansion des Materials auch andere Prozesse geeignet sein können, die zu einer Auswölbung führen würden. So könnte bspw. das Material um den Bereich der gewollten Auswölbung so modifiziert werden, dass innere Spannungen erzeugt werden, welche die Auswölbung bewirken.
Experimente, die mit den folgenden Parametern durchgeführt wurden, führten zu Oberflächenstrukturen 10 mit ausgezeichneter Qualität:
Mittlere Laserleistung 8 W Fokussierung: NA 0,2
Brennweite: 11mm
Laserspotdurchmesser
auf dem Werkstück: ca. 4 pm
Pulsdauer 500 fs
Laserburts mit 4 Laserpulsen mit Pulsabstand von 20 ns Burstrepetitionsrate 200 kHz
Pulsenergie: 10 mϋ

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen (10) an einem laser- transparenten Werkstück (2), insbesondere aus Glas oder Kunststoff, mittels eines gepulsten Laserstrahls (3) in Form von UKP-Laserpulsen (5), wobei mindestens ein UKP-Laserpuls (5) durch die Werkstückoberfläche (11) hindurch in das lasertransparente Werkstück (2) fokussiert wird, um im Werkstückinneren durch Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation (12) aufzuschmelzen, und wobei die Pulsparameter des mindestens einen UKP-Laserpulses (5) und die Tiefe des Laserfokus im Werkstück (2) derart gewählt werden, dass der oberste Teil der aufgeschmolzenen Modifikation (12) gerade die Werkstückoberfläche (11) berührt und durch ther mische Materialexpansion der aufgeschmolzenen Modifikation (12) die Werkstückoberfläche (11) nach außen zu einer konvexen Oberflächenstruktur (10) gewölbt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere UKP- Laserpulse (5) durch die Werkstückoberfläche (11) hindurch in das lasertransparente Werkstück (2) fokussiert werden, um im Werkstückinneren durch schrittweises Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation (12) aufzuschmelzen, und dass die Pulsparameter der mehreren UKP-Laserpulse (5) und die Tiefe des Laserfokus im Werkstück (2) derart gewählt werden, dass der oberste Teil der aufgeschmolzenen Modifikation (12) gerade die Werkstückoberfläche (11) berührt und durch thermische Material- expansion der aufgeschmolzenen Modifikation (12) die Werkstückoberfläche (11) nach außen zu einer konvexen Oberflächenstruktur (10) gewölbt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren UKP-Laserpulse (5) einen konstanten Pulsabstand aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsab- stand höchstens 100 ns, bevorzugt höchstens 50 ns, besonders bevorzugt höchstens 20 ns, beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren UKP-Laserpulse (5) in Form von Laserbursts (13) in das Werkstück (2) fokussiert werden, wobei die jeweils einen Laserburst (13) ausbildenden UKP-Laserpulse (5) einen Pulsabstand aufweisen, der geringer ist als der Burstabstand zwischen zwei Laserbursts (13).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserburst (13) höchstens 10 UKP-Laserpulse (5), insbesondere höchstens 5 UKP- Laserpulse (5), mit einem Pulsabstand von höchstens 100 ns, bevorzugt höchstens 50 ns, besonders bevorzugt höchstens 20 ns, aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Burstrepetitionsrate zwischen 10 kHz und 10 MHz, bevorzugt zwischen 100 kHz und 1 MHz, besonders bevorzugt bei ca. 200 kHz, liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die UKP-Laserpulse (5) eine Pulsenergie zwischen 0,1 mϋ und 100 pJ, bevorzugt zwischen 1 pJ und 20 pJ, besonders bevorzugt ca. 10 pJ, aufweisen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt des in das Werkstück (2) fokussierten Laserstrahls (3) entsprechend dem gewünschten Querschnitt der Oberflächenstruktur (10) geformt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) einen punkt- oder gaußförmigen oder einen rechtwinklig zur Strahlachse verlaufenden, linienförmigen Laserfokus aufweist, um im Werkstückinneren eine im Längsquerschnitt tropfen- förmige Modifikation (12) mit einer kugelförmigen Oberseite aufzuschmelzen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von iinienförmigen Oberflächenstrukturen (10) der Laserstrahl (3) über das Werkstück (2) und dadurch der Laserfo- kus durch das Werkstückinnere bewegt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleiche Oberflächenstrukturen (10) an unterschiedlichen Orten der Werkstückoberfläche (11) jeweils mit den gleichen, fest vorgegebenen Pulsparametern erzeugt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass beim Erzeugen einer Oberflächenstruktur (10) die Werk- stückoberfläche (11) zwischen den mehreren UKP-Laserpulsen (5) vermessen und der Laserstrahl (3) ausgeschaltet oder weiterbewegt wird, sobald eine der gewünschten Oberflächenstruktur (10) entsprechende Auswölbungshöhe (h) erreicht ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die UKP-Laserpulse (5) eine Pulsdauer kleiner als 50 ps, bevorzugt kleiner 1 ps, besonders bevorzugt ca. 500 fs oder weniger, aufweisen.
15. Laserbearbeitungsmaschine (1) zum Erzeugen von Oberflächenstrukturen (10) an einem lasertransparenten Werkstück (2), insbesondere aus Glas oder Kunststoff, mit einem UKP-Laser (4) zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls (3) in Form von UKP-Laserpulsen (5), mit einer Fokussiereinheit (7), die den Laserstrahl (3) auf das Werkstück (2) fokussiert, und mit einer Maschinensteuerung (9), die programmiert ist, den UKP-Laser (4) und die Fokussiereinheit (7) derart anzusteuern, dass im Werkstückinneren durch Erwärmen des Fokusvolumens eine Modifikation (12) aufge- schmolzen wird, deren oberster Teil gerade die Werkstückoberfläche (11) berührt.
16. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des gepulsten Laserstrahls (3) eine Strahlformungs einheit (7) zur räumlichen Puls- und Strahlformung der UKP-Laserpulse (5) angeordnet ist.
17. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine mit der Maschinensteuerung (9) verbundene Sensorik (14) zum Vermessen der Werkstückoberfläche (11).
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