DE102015010369A1

DE102015010369A1 - Method for removing brittle-hard material of a workpiece

Info

Publication number: DE102015010369A1
Application number: DE102015010369.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schulz; Urs Eppelt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Bei einem Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material eines Werkstücks mittels gepulster Laserstrahlung wird eine elliptische Strahlform des Querschnitts der Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zu der Strahlungsachse eingestellt. Im Fokus der Laserstrahlung werden die große Halbachse der Ellipse in Vorschubrichtung und die kleine Halbachse senkrecht dazu ausgerichtet. Der Strahlradius in Richtung der kleinen Halbachse wird am Eintritt der Abtragsvertiefung so eingestellt, dass der Flankenwinkel w, der lokale Winkel zwischen der Oberflächennormalen auf der Flanke der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials, nahezu 90 Winkelgrade erreicht und die erreichbare Abtragstiefe mindestens um einen Faktor 5 größer wird als für einen größeren Strahlradius, bei dem der Flankenwinkel kleiner als ein materialspezifischer Grenzwinkel ist, bei dem kein Abtrag mehr stattfindet. Der Strahlradius der großen Halbachse wird so eingestellt, dass die Rayleighlänge mindestens so groß ist wie die halbe Abtragstiefe.In a method for removing brittle-hard material of a workpiece by means of pulsed laser radiation, an elliptical beam shape of the cross-section of the laser radiation is set in a plane perpendicular to the radiation axis. In the focus of laser radiation, the large half-axis of the ellipse in the feed direction and the small semi-axis are aligned perpendicular thereto. The beam radius in the direction of the semi-minor axis is set at the entrance of the removal recess so that the flank angle w, the local angle between the surface normal on the flank of the Abtragsvertiefung and the surface normal on the non-abraded surface of the material reaches almost 90 degrees and the achievable Abtragstiefe at least by a factor of 5 is larger than for a larger beam radius, in which the flank angle is smaller than a material-specific critical angle at which no more removal takes place. The beam radius of the semi-major axis is set so that the Rayleigh length is at least as large as half the Abtragstiefe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material eines Werkstücks mittels gepulster Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for removing brittle-hard material of a workpiece by means of pulsed laser radiation according to the preamble of claim 1.

Bei einem solchen Verfahren wird gepulste Laserstrahlung verwendet, die in Strahlrichtung eine Strahlungsachse aufweist. Die Strahlungsachse wird in einer Vorschubrichtung senkrecht zur Strahlungsachse bewegt. Dabei bildet der Abtrag mittels gepulster Laserstrahlung mit einem Laserstrahl vordefinierter Breite b_L eine Abtragsvertiefung aus. Typischerweise ist die Geschwindigkeit der Bewegung der Strahlungsachse in Vorschubrichtung kleiner als die Geschwindigkeit, mit der Material in Abtragsrichtung abgetragen wird. Die Abtragsvertiefung nimmt eine in Vorschubrichtung länger ausgedehnte geometrische Form an als deren Ausdehnung senkrecht zu Vorschub- und Strahlrichtung. Die Abtragsvertiefung weist eine Grundfläche auf, bis zu der ein Abtrag in Strahlrichtung erfolgt ist. Die Tiefe der Grundfläche in Strahlrichtung kann die gesamte Dicke des Materials erreichen und das Verfahren wird dann vom Fachmann als eine durchgehende Bohrung oder Durchbohrung bezeichnet, weil das Material bezüglich seiner Dicke in Strahlrichtung durchgehend abgetragen ist, oder wird als ein Schnitt bezeichnet, weil das Material in Vorschubrichtung durchgehend abgetragen ist und das Material in mindestens zwei Teile getrennt ist. Unabhängig davon, ob nach dem Beenden des Verfahrens bzw. der Bestrahlung eine Abtragsvertiefung oder eine Bohrung oder ein Schnitt erzeugt wurde, entsteht während der Durchführung dieser Verfahren eine Abtragsvertiefung mit einer Grundfläche und mit Seitenflächen. Die Grundfläche wird als Abtragsgrund bezeichnet. Die Seitenflächen dieser Abtragsvertiefung werden als Flanken bezeichnet. Die Flanken der Abtragsvertiefung in dem Material verlaufen unter einem räumlich veränderlichen Flankenwinkel w, wobei der Flankenwinkel w als der lokale Winkel zwischen der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials definiert ist. Typischerweise entsteht zu Beginn des Abtragens eine breite und flache Abtragsvertiefung mit kleinem Flankenwinkel w im Zentrum der Abtragsvertiefung und großem Flankenwinkel w an der Flanke, das ist der Rand der Abtragsvertiefung. Typischerweise nimmt der Flankenwinkel w an der Flanke mit zunehmender Anzahl von Pulsen bzw. zunehmender Bestrahlungsdauer unabhängig von einer räumlichen Positionierung entlang der Flanke einen für das Produkt aus dem Kosinus des Flankenwinkels w mit der Intensität I der Laserstrahlung und einen für das Material spezifischen Grenzwinkel w_max an. Der Grenzwinkel w_max ist definiert als der Winkel, bei dem mit zunehmender Anzahl von Pulsen bzw. zunehmender Bestrahlungsdauer kein Abtrag mehr stattfindet.In such a method, pulsed laser radiation is used which has a radiation axis in the beam direction. The radiation axis is moved in a feed direction perpendicular to the radiation axis. The removal by means of pulsed laser radiation with a laser beam of predefined width b _{L forms} an ablation recess. Typically, the speed of movement of the radiation axis in the feed direction is smaller than the speed with which material is removed in the removal direction. The removal recess assumes a longer in the feed direction geometric shape than its extension perpendicular to the feed and beam direction. The removal recess has a base area up to which a removal in the jet direction has taken place. The depth of the base in the jet direction can reach the entire thickness of the material and the method is then referred to by the skilled person as a through hole or through hole because the material is continuously removed in thickness in the jet direction, or is referred to as a cut, because the material is continuously removed in the feed direction and the material is separated into at least two parts. Irrespective of whether a removal depression or a bore or a cut was produced after the termination of the process or the irradiation, a removal depression having a base area and with side surfaces is produced during the execution of these methods. The base area is called Abtragsgrund. The side surfaces of this Abtragsvertiefung are referred to as flanks. The flanks of the cut-off recess in the material extend at a spatially varying flank angle w, the flank angle w being defined as the local angle between the surface normal n _F on the flank of the cut-off recess and the surface normal n ₀ on the non-abraded surface of the material. Typically, at the beginning of the ablation, a broad and flat removal depression with a small flank angle w arises in the center of the removal depression and a large flank angle w on the flank, that is the edge of the removal depression. Typically, the flank angle w on the flank increases with increasing number of pulses or increasing irradiation time independent of a spatial positioning along the flank for the product of the cosine of the flank angle w with the intensity I of the laser radiation and a material-specific critical angle w _max at. The limiting angle w _max is defined as the angle at which removal no longer takes place with increasing number of pulses or increasing irradiation time.

Unter sprödharte Werkstoffe fallen im Rahmen des vorliegenden Verfahrens alle Werkstoffe, die eine sehr geringe Absorption für Licht aufweisen und deshalb transparent sind, wie z. B. Gläser. Solche Materialien weisen eine Bandlücke (band-gap größer als 1 eV) für die Energien zwischen dem Valenzband und dem leeren Leitungsband eines Materials auf, die größer ist als die Energie eines Laserphotons. Solche Materialien ändern ihre optischen Eigenschaften, wenn sie mit intensiver Laserstrahlung beleuchtet werden, und werden dann absorbierend und können abgetragen werden. Unter die so genannten „wide-band-gap” Materialien fallen z. B. auch Glas und Saphir als Spezialfälle der „band gap” Materialien. Ebenfalls fallen Werkstoffe mit moderater Bandlücke (band-gap ca. 1 eV) unter sprödharte Werkstoffe, wobei wesentlich ist, dass sich ihre optischen Eigenschaften (Reflexionsgrad, Absorptionsgrad) ändern, wenn sie mit intensiver Laserstrahlung beleuchtet werden, wie zum Beispiel Silizium und artverwandte Halbleiterwerkstoffe.Under brittle-hard materials fall within the scope of the present process, all materials that have a very low absorption for light and therefore are transparent, such as. Glasses. Such materials have a band gap (band gap greater than 1 eV) for the energies between the valence band and the empty conduction band of a material that is greater than the energy of a laser photon. Such materials change their optical properties when illuminated with intense laser radiation and then become absorbent and can be worn away. Among the so-called "wide-band-gap" materials z. As well as glass and sapphire as special cases of the "band gap" materials. Also materials with a moderate band gap (band-gap approx. 1 eV) fall under brittle-hard materials, whereby it is essential that their optical properties (reflectance, absorptivity) change when illuminated with intense laser radiation, such as silicon and related semiconductor materials ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren unter Einsatz von Laserstrahlung zu schaffen, mit dem eine große Abtragsrate und eine große Abtragstiefe bei gleichzeitig schädigungsfreiem Abtragen/Schneiden erreichbar sind, so dass durch die Einwirkung der Laserstrahlung beim Abtragen/Schneiden eine große Materialtiefe bearbeitet wird und nach der Bearbeitung keine zusätzlichen Spannungen oder zusätzlichen Risse in den sprödharten Werkstoff eingebracht werden.The invention has for its object to provide a method using laser radiation, with a large Abtragsrate and a large excavation depth at the same time damage-free ablation / cutting can be achieved, so that a large material depth is processed by the action of laser radiation during ablation / cutting and after processing no additional stresses or additional cracks are introduced into the brittle-hard material.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments of this method are specified in the dependent claims.

Verfahrensgemäß wird eine elliptische Strahlform des Querschnitts der Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zu der Strahlungsachse eingestellt. Dieser elliptische Querschnitt der Laserstrahlung bezieht sich auf eine Ebene im abzutragenden Material, senkrecht zu der Strahlungsachse. Entsprechend sind die große Halbachse der Ellipse in Vorschubrichtung ausgerichtet und die kleine Halbachse ist senkrecht dazu und senkrecht zur Strahlrichtung ausgerichtet. Der Strahlradius in Richtung der kleinen Halbachse der Laserstrahlung, mit w₀₁ bezeichnet, am Eintritt der Abtragsvertiefung, dort, wo der unveränderte Teil der Oberfläche des Werkstücks in die Abtragsvertiefung hinein übergeht, wird auf einen Wert eingestellt derart, dass der Flankenwinkel w nahezu 90 Winkelgrade erreicht und die erreichbare Abtragstiefe mindestens um einen Faktor 5 größer wird als für einen größeren Strahlradius, bei dem der Flankenwinkel w kleiner als ein materialspezifischer Grenzwinkel w_max ist, bei dem kein Abtrag mehr stattfindet. Weiterhin wird der Strahlradius der großen Halbachse der Laserstrahlung, mit w₀₂ bezeichnet, auf einen solchen Wert eingestellt, dass die Rayleighlänge, mit z_R02 bezeichnet, mindestens so groß ist wie die halbe Abtragstiefe.According to the method, an elliptical beam shape of the cross section of the laser radiation is set in a plane perpendicular to the radiation axis. This elliptical cross section of the laser radiation refers to a plane in the material to be ablated, perpendicular to the radiation axis. Accordingly, the large semiaxis of the ellipse are aligned in the feed direction and the small half-axis is perpendicular thereto and aligned perpendicular to the beam direction. The beam radius in the direction of the small semiaxis of the laser radiation, designated w ₀₁ , at the entrance of the removal recess, where the unchanged part of the surface of the workpiece merges into the removal recess, is set to a value such that the flank angle w is nearly 90 degrees achieved and the achievable Abtragstiefe is at least by a factor of 5 larger than for a larger beam radius, wherein the flank angle w is smaller than a material-specific Limit angle w _max is at which no more removal takes place. Furthermore, the beam radius of the large half-axis of the laser radiation, designated w ₀₂ , is set to a value such that the Rayleigh _length, denoted by z _R02 , is at least as large as half the removal depth.

Soweit in der vorliegenden Beschreibung von einem Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material die Rede ist, so ist darauf hinzuweisen, dass unter einem Abtragen das Strukturieren, Schneiden und Bohren als Spezialfälle des Abtragens fallen. Beim Strukturieren wird in das Material eine Abtragsvertiefung eingebracht, wobei die Abtragstiefe kleiner ist als die Materialdicke. Beim Bohren kann die Abtragsvertiefung in Richtung der Strahlungsachse so weit fortschreiten, bis die Abtragstiefe die Materialdicke erreicht. Beim Schneiden wird zusätzlich zum Bohren die Strahlungsachse bewegt. Die Strahlungsachse kann relativ zu der Oberflächennormalen, mit n₀ bezeichnet, des nicht abgetragenen Materials geneigt eingestellt werden. Dann erfolgt die Bewegung senkrecht zur Oberflächennormalen, mit n₀ bezeichnet, des nicht abgetragenen Materials, wobei die Strahlungsachse parallel zur Oberflächennormalen n₀ oder geneigt dazu eingestellt wird oder die Neigung entlang der Bewegung verändert wird.As far as in the present description of a method for removing brittle-hard material is mentioned, it should be noted that under an ablation, the structuring, cutting and drilling as special cases of erosion fall. During structuring, a removal recess is introduced into the material, the removal depth being smaller than the material thickness. During drilling, the removal recess in the direction of the radiation axis can progress until the removal depth reaches the material thickness. When cutting, the radiation axis is moved in addition to drilling. The radiation axis may be tilted relative to the surface normal, denoted by n ₀ , of the non-abraded material. Then, the movement is perpendicular to the surface normal, denoted by n ₀ , of the non-abraded material, with the radiation axis parallel to the surface normal n ₀ or inclined thereto, or the inclination is changed along the movement.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber anderen bekannten Abtragsverfahren, insbesondere solchen wie das Drahterodieren oder auch Laserverfahren mit rotationssymmetrischem Querschnitt der Laserstrahlung mit sehr schmalem, kreisrundem Querschnitt der Abtragsvertiefung, dahingehend vorteilhaft, dass größere Abtragstiefen im Material erreichbar sind. Bei einem kreisrunden Querschnitt der Abtragsvertiefung ist nur eine sehr kleine Abtragstiefe erreichbar, da sich hierbei abgetragenes Material wieder an der Flanke der Abtragsvertiefung anlagert und diese wieder verschließt bzw. einengt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare Abtragstiefe wird wesentlich vergrößert, indem eine elliptische Abtragsvertiefung erzeugt wird. Dabei wird die Flanke zumindest in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlungsachse der eingesetzten Laserstrahlung vergrößert, wozu eine elliptische Strahlform des Querschnitts der Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zu der Strahlungsachse eingestellt wird.The method according to the invention is advantageous over other known removal methods, in particular such as wire EDM or laser method with rotationally symmetrical cross section of the laser radiation with a very narrow, circular cross section of the removal recess, in that larger removal depths in the material can be achieved. In a circular cross-section of the Abtragsvertiefung only a very small Abtragstiefe is reached, since this ablated material again attaches to the flank of the Abtragsvertiefung and this again closes or narrows. The achievable by the novel Abtragstiefe is significantly increased by an elliptical Abtragsvertiefung is generated. In this case, the flank is enlarged at least in one direction perpendicular to a radiation axis of the laser radiation used, for which purpose an elliptical beam shape of the cross section of the laser radiation is set in a plane perpendicular to the radiation axis.

Ein Durchmesser der Abtragsvertiefung, der klein ist, bewirkt am Rand der Abtragsvertiefung eine verkleinerte Absorption und eine Führung der Laserstrahlung an der Flanke der Abtragsvertiefung in Richtung auf den Abtragsgrund durch Mehrfachreflexion bzw. Wellenleitung. Erfindungsgemäß tritt dieser vorteilhafte Effekt auch beim Abtragen/Schneiden auf, wenn der Durchmesser der Abtragsvertiefung lediglich in einer Richtung senkrecht zur Strahlungsachse verkleinert wird und keine Totalreflexion vorliegt. Erfindungsgemäß tritt dieser Effekt auch an einer Schneidfront auf, wenn die Abtrags- bzw. Schneidfront eine teilweise geöffnete, wellenleitende geometrische Form aufweist und nicht in einer etwa zylindrischen Form die Strahlung einschließt, wie dies von der Faserführung bekannt ist. Durch die Pulsformung wird der Effekt einer Reflexion an der Flanke vergrößert, was insbesondere bei einer elliptischen Strahlform und einer daraus folgenden elliptischen Form der Abtragsvertiefung wesentlich ist, um den Effekt der Strahlführung in der Abtragsvertiefung auch bei großer Ausdehnung der Abtragsvertiefung in Vorschubrichtung bzw. in Richtung der großen Halbachse aufrechtzuerhalten. Durch die erfindungsgemäße Strahlformung wird die Strahlung in Richtung der kleinen Halbachse, also senkrecht zu der Vorschub- und Strahlrichtung an der Flanke, reflektiert und in Richtung auf den Abtragsgrund geleitet. Der Abtragsgrund ist definiert als eine Grundfläche oder ein Boden der Abtragsvertiefung, die bzw. der in die Flanken der Abtragsvertiefung übergeht. Nach Berechnung und durch Überprüfung im Experiment wurde beobachtet, dass bei 1 μm Wellenlänge der Laserstrahlung der schwellenartige Übergang des Flankenwinkels für einen Strahlradius von kleiner als 6 μm erreichbar ist. Der schwellenartige Übergang für den Flankenwinkel w von einem für das Material spezifischen Grenzwinkel w_max, wobei der Grenzwinkel w_max definiert ist als der Winkel, bei dem kein Abtrag mehr stattfindet, ist bei Werten für den Flankenwinkel von nahezu 90 Winkelgraden dadurch zu beobachten, dass die Abtragstiefe deutlich um typischerweise und mindestens einen Faktor 5 zunimmt.A diameter of the Abtragsvertiefung, which is small, causes at the edge of the Abtragsvertiefung a reduced absorption and guidance of the laser radiation at the edge of the Abtragsvertiefung towards the Abtragsgrund by Mehrfachreflexion or waveguide. According to the invention, this advantageous effect also occurs during removal / cutting, when the diameter of the removal recess is reduced only in one direction perpendicular to the radiation axis and there is no total reflection. According to the invention, this effect also occurs at a cutting front when the ablation or cutting front has a partially opened, wave-guiding geometric shape and does not enclose the radiation in an approximately cylindrical shape, as is known from the fiber guide. Due to the pulse shaping, the effect of reflection on the flank is increased, which is essential in particular in the case of an elliptical beam shape and a consequent elliptical shape of the removal recess, in order to reduce the effect of the beam guidance in the removal recess even in the case of a large expansion of the removal recess in the feed direction or in the direction Maintain the big semi-axis. As a result of the beam shaping according to the invention, the radiation is reflected in the direction of the small semiaxis, that is to say perpendicular to the feed and beam direction on the flank, and directed in the direction of the ablation ground. The Abtragsgrund is defined as a base or a bottom of Abtragsvertiefung that goes into the flanks of the Abtragsveriefung. After calculation and verification in the experiment, it was observed that at 1 μm wavelength of the laser radiation, the threshold-like transition of the flank angle for a beam radius of less than 6 μm can be achieved. The threshold-like transition for the flank angle w from a material-specific critical angle w _max , where the critical angle w _{max is} defined as the angle at which no more abrasion takes place, can be observed in values for the flank angle of almost 90 degrees by the removal depth increases significantly by typically and at least a factor of 5.

Insbesondere für das Schneiden ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, da eine elliptische Strahlform der Laserstrahlung eingesetzt wird, wobei die große Halbachse der Ellipse in Schneidrichtung und die kleine Halbachse senkrecht dazu angeordnet werden müssen mit der Folge, dass eine unerwünschte Aufweitung oder Verbreiterung der Abtragsvertiefung vermieden wird.In particular for cutting, the method according to the invention is advantageous, since an elliptical beam shape of the laser radiation is used, wherein the large semiaxis of the ellipse in the cutting direction and the small semi-axis must be arranged perpendicular thereto, with the result that an undesirable widening or widening of the removal recess is avoided becomes.

Weiterhin ist, sowohl für das Schneiden als auch für das Bohren die zeitliche Pulsformung ein wesentlicher Parameter.Furthermore, temporal pulse shaping is an essential parameter both for cutting and for drilling.

Der zeitliche Verlauf der Pulsleistung (Pulsenergie/Pulsdauer) ist so einzustellen, dass der Reflexionsgrad des vor dem Puls transparenten Materials (transparent bedeutet, dass die Laserstrahlung in dem Material eine sehr geringe Absorption erfährt und deshalb das Material transparent ist, wie das z. B. bei Gläsern der Fall ist) zunimmt und das Material im Idealfall reflektierend wird. Es verhält sich dann wie ein Metall. Es wird eine zu starke Absorption an den Schnittflanken des aktuellen Schnittes/der aktuellen Überfahrt mit der Nummer n (n = 1, 2, 3 ...; natürliche Zahl) sowie im Bereich der Schnittkante aus den n – 1 vorhergehenden Schnitten/Überfahrten vermieden und eine starke Absorption an der Schneidfront bzw. im Abtragsgrund erreicht. Typischerweise besteht der verfahrensgemäße zeitliche Verlauf der Pulsleistung aus einem kurzen, intensiven Puls/Pulsfolge mit einer Zeitdauer von typischerweise 1–10 ps und einem nachfolgenden längeren Puls/Pulsfolge mit einer Zeitdauer von 10–1000 ps. Die optimale Pulsform wird über eine materialspezifische Optimierungsrechnung berechnet; das zugrundeliegende Berechnungsmodell ist bekannt. Während der kurzen, intensiven Pulse/Pulsfolgen mit einer Zeitdauer von typischerweise 1–10 ps wird das Material am Abtragsgrund stark absorbierend und wird abgetragen. Typischerweise ändert das Material seine physikalischen Eigenschaften und auch seine Temperatur aufgrund der einwirkenden Laserstrahlung innerhalb von 1–10 ps. Der genaue Zahlenwert ist materialspezifisch und hängt noch von der Zusammensetzung des Materials ab. Während der nachfolgenden längeren Pulse/Pulsfolgen mit einer Zeitdauer von 10–1000 ps werden die physikalischen Eigenschaften und auch die Temperatur des Materials aufgrund der einwirkenden Laserstrahlung derart vorbereitet, dass der nächste intensive Puls/Pulsfolge an den Flanken reflektiert und am Abtragsgrund absorbiert wird.The temporal course of the pulse power (pulse energy / pulse duration) is to be adjusted so that the reflectance of the material transparent to the pulse (transparent means that the laser radiation in the material undergoes very low absorption and therefore the material is transparent, as is the case, for example in the case of glasses) increases and the material ideally becomes reflective. It then behaves like a metal. There will be too much absorption at the cutting edges of the current cut / run with the number n (n = 1, 2, 3 ..., natural number) and at the cut edge of the n - 1 previous cuts / passes avoided and achieved a strong absorption on the cutting front or in Abtragsgrund. Typically, the process-related time course of the pulse power consists of a short, intensive pulse / pulse train with a duration of typically 1-10 ps and a subsequent longer pulse / pulse train with a duration of 10-1000 ps. The optimal pulse shape is calculated via a material-specific optimization calculation; the underlying calculation model is known. During the short, intense pulses / pulse trains with a duration of typically 1-10 ps, the material on the erosion ground becomes highly absorbent and is worn away. Typically, the material changes its physical properties and also its temperature due to the applied laser radiation within 1-10 ps. The exact numerical value is material-specific and depends on the composition of the material. During the subsequent longer pulses / pulse sequences with a duration of 10-1000 ps, the physical properties and also the temperature of the material due to the applied laser radiation are prepared in such a way that the next intensive pulse / pulse sequence is reflected on the flanks and absorbed on the ablation ground.

Für das Schneiden, als eine Form des Abtrags, ist zu beachten, dass der Grenzwinkel w_max für den Flankenwinkel w der Abtragsvertiefung beim Abtragen und Schneiden von transparenten Werkstoffen nicht überschritten wird. Im Vergleich zum Bohren entsteht beim Schneiden zusätzlich ein Schnittspalt, der in Vorschubrichtung und seitlich durch die Schneidfront begrenzt wird und insbesondere entgegen der Vorschubrichtung dort, wo der Schnittspalt entsteht, nicht begrenzt ist. Um ungeachtet des Schnittspalts eine große Schnitttiefe erreichen zu können, muss der Laserstrahl elliptisch geformt werden, d. h. senkrecht zur Schneidrichtung einen kleinen Fokusradius w₀₁ aufweisen und entlang/parallel zur Schneidrichtung einen großen Fokusradius w₀₂ (w₀₂ >> w₀₁) aufweisen. Der große Fokusradius w₀₂ in Vorschubrichtung ist notwendig, da die Strahlung in Vorschubrichtung, das ist die Richtung der entstehenden Schnittfuge, frei propagieren kann und deshalb erfindungsgemäß einen kleinen Divergenzwinkel aufweisen soll. Als Folge eines großen Fokusradius w₀₂ ist der Divergenzwinkel D₀₂ klein, was aus dem bekannten Zusammenhang folgt, dass das Produkt aus Fokusradius w₀₂ und Divergenzwinkel D₀₂ während der Propagation von Laserstrahlung konstant ist. Ein kleiner Divergenzwinkel bzw. eine große Rayleighlänge z_R02 ist notwendig, um eine Aufweitung der Strahlung auf kleiner Propagationsstrecke zu vermeiden.For cutting, as a form of removal, it should be noted that the critical angle w _max for the flank angle w of the removal recess when removing and cutting transparent materials is not exceeded. In comparison with drilling, a cutting gap is additionally formed during cutting, which is limited in the feed direction and laterally by the cutting front and is not limited, in particular, against the feed direction where the cutting gap arises. In order to achieve a large depth of cut irrespective of the cutting gap, the laser beam must be elliptical, ie have a small focus radius w ₀₁ perpendicular to the cutting direction and have a large focus radius w ₀₂ (w ₀₂ >> w ₀₁ ) along / parallel to the cutting direction. The large focus radius w ₀₂ in the feed direction is necessary because the radiation in the feed direction, that is, the direction of the resulting kerf, can propagate freely and therefore according to the invention should have a small divergence angle. As a result of a large focus radius w ₀₂ , the divergence angle D _{02 is} small, which follows from the known relationship that the product of focus radius w ₀₂ and divergence angle D ₀₂ is constant during the propagation of laser radiation. A small divergence angle or a large Rayleigh length z _R02 is necessary to prevent a widening of the radiation to less propagation path.

Mit einer Aufweitung der Strahlung auf kleiner Propagationsstrecke nimmt die Intensität in Schnitttiefe auf unerwünscht kleiner Propagationsstrecke ab und die Schnitttiefe wird unerwünscht stark begrenzt.With an expansion of the radiation on a small propagation distance, the intensity decreases in depth of cut to undesirably small propagation distance and the depth of cut is undesirably severely limited.

Vorzugsweise wird der Wert für den Strahlradius w₀₁ der kleinen Halbachse bestimmt, indem der Strahlradius w₀₁ schrittweise verkleinert wird, bis ein schwellenartiger Wechsel des Flankenwinkels w von Werten w <= w_max kleiner oder gleich dem materialspezifischen Grenzwinkel w_max zu großen Werten des Flankenwinkels w von nahezu 90 Winkelgraden auftritt.Preferably, the value for the beam radius w _{01 of} the semi-minor axis is determined by stepwise decreasing the beam radius w ₀₁ until a threshold-like change of the flank angle w of values w <= w _{max is} less than or equal to the material-specific critical angle w _max to large values of the flank angle w of nearly 90 degrees occurs.

Unter einem schwellenartigen Wechsel des Flankenwinkels w ist ein Wechsel zu verstehen, der bei nur kleiner Änderung des Fokusradius eine große Änderung des Flankenwinkels bewirkt.A threshold-like change of the flank angle w is to be understood as a change which causes a large change in the flank angle with only a small change in the focus radius.

Der Wert für den Strahlradius w₀₁ wird vor der Durchführung des Verfahrens in einem simulierten Abtragen an einem sprödharten Material entsprechend dem Werkstück berechnet.The value for the beam radius w ₀₁ is calculated before carrying out the method in a simulated ablation on a brittle-hard material corresponding to the workpiece.

Der Wert für den Strahlradius w₀₁ kann auch vor der Durchführung des Verfahrens an einem sprödharten Material entsprechend dem Werkstück auf experimentellem Wege bestimmt werden, indem der Strahlradius verkleinert wird, bis ein schwellenartiger Wechsel des Flankenwinkels w zu großen Werten auftritt. Der Wechsel des Flankenwinkels zu großen Werten kann auch an einer größeren zu erreichenden Abtragstiefe beobachtet werden.The value for the beam radius w ₀₁ can also be determined experimentally by carrying out the method on a brittle-hard material corresponding to the workpiece by reducing the beam radius until a threshold-like change of the flank angle w to large values occurs. The change of the flank angle to large values can also be observed at a larger excavation depth to be achieved.

Um eine große Abtragstiefe und eine geringe Absorption an der Flanke, womit eine Verkleinerung der Schädigung des Werkstücks verbunden ist, zu erreichen, ist auch vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf der Pulsleistung so eingestellt wird, dass der Reflexionsgrad an der Flanke der Abtragsvertiefung zunimmt.In order to achieve a large excavation depth and a low absorption at the flank, with which a reduction of the damage of the workpiece is connected, it is also provided that the time profile of the pulse power is adjusted so that the reflectance increases at the flank of the Abtragsveriefung.

Wesentlich ist auch die Pulsform der Laserstrahlung, das ist der zeitliche Verlauf der Pulsleistung, die nämlich wesentlich die optischen Eigenschaften des sprödharten Materials, somit auch den Reflexionsgrad, verändert. Die Laserstrahlung wird an den Flanken reflektiert und zum Bohrungsgrund bzw. Abtragsgrund reflektiert, wodurch die Schädigung des Materials an den Flanken verhindert wird und die Abtragsgeschwindigkeit am Abtragsgrund vergrößert wird.Also important is the pulse shape of the laser radiation, which is the temporal course of the pulse power, which essentially changes the optical properties of the brittle-hard material, thus also the reflectance. The laser radiation is reflected at the flanks and reflected to the bottom of the hole or Abtragsgrund, whereby the damage to the material is prevented at the flanks and the Abtragsgeschwindigkeit is increased at the Abtragsgrund.

Es ist auch vorgesehen, dass sich der verfahrensgemäße zeitliche Verlauf der Pulsleistung aus Pulsfolgen mit jeweils einem kurzen, intensiven Puls mit einer Zeitdauer von typischerweise < 10 ps, während abgetragen wird, und einem nachfolgenden längeren Puls mit einer Zeitdauer von 10 ps bis 1000 ps, während nicht abgetragen wird, zusammensetzt. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass an der Flanke der Abtragsvertiefung ein großer Reflexionsgrad vorliegt, bevor und während der intensive Puls das Material abträgt. Dem Fachmann ist aus der Literatur bekannt, dass sprödharte Materialien ihre optischen Eigenschaften innerhalb der physikalisch möglichen Bereiche (der Reflexionsgrad kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen) ändern, wenn sie mit intensiver Laserstrahlung beleuchtet werden. Der Reflexionsgrad, z. B. von Glas, kann durch Bestrahlung von wenigen Prozent des Reflexionsgrads – wie sie typischerweise für Licht kleiner Intensität vorliegen – bis zu großen Werten des Reflexionsgrads von 80–100% verändert werden, wie sie typischerweise für Metalle auftreten.It is also envisaged that the temporal progression of the pulse power according to the method will consist of pulse sequences each having a short, intense pulse with a duration of typically <10 ps while being ablated and a subsequent longer pulse having a duration of 10 ps to 1000 ps, while not being removed, composed. This measure ensures that a large degree of reflection is present on the flank of the removal recess before and during the intensive pulse removes the material. The expert is known from the literature that brittle-hard materials their optical Properties within the physically possible ranges (the reflectance can take values between 0 and 1) change when illuminated with intense laser radiation. The reflectance, z. Glass, for instance, can be changed by irradiating from a few percent of the reflectance - as is typically the case for low intensity light - to large reflectance values of 80-100%, such as typically occur for metals.

Ein wesentlicher Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Art der eingesetzten Pulsform für die gepulste Laserstrahlung erreicht. Daher ist vorgesehen, dass der kurze, intensive Puls in seiner Zeitdauer solange verkleinert wird und damit in seiner Intensität solange vergrößert wird, bis das Material an der Flanke die Strahlung stark reflektiert, so dass nahezu keine Schädigung auftritt. Für ein ausgewähltes Lasersystem ist die zeitlich gemittelte Leistung begrenzt, so dass das Produkt aus Intensität während des Pulses und Pulsdauer konstant ist bzw. bei Verkleinerung der Pulsdauer die Intensität vergrößert wird.An essential effect of the method according to the invention is achieved by the type of pulse shape used for the pulsed laser radiation. It is therefore provided that the short, intensive pulse is reduced in size over its duration and thus increased in its intensity until the material on the flank reflects the radiation strongly, so that almost no damage occurs. For a selected laser system, the time averaged power is limited, so that the product of intensity during the pulse and pulse duration is constant or the intensity is increased as the pulse duration decreases.

Die Bestimmung der im Verfahren zum Abtragen eines sprödharten Werkstücks zu verwendende Pulsform für die eingesetzte Laserstrahlung erfolgt experimentell in der Art und Weise, dass die Abtragstiefe pro Puls und damit die Abtragsgeschwindigkeit am Abtragsgrund beobachtet wird und deren Vergrößerung erreicht wird.The determination of the pulse shape to be used in the method for removing a brittle-hard workpiece for the laser radiation used is carried out experimentally in such a way that the removal depth per pulse and thus the removal rate is observed on the ablation ground and its enlargement is achieved.

Der zeitliche Verlauf der Pulsleistung während einer Pulsfolge wird über eine materialspezifische Optimierungsrechnung bestimmt. Mit einer solchen materialspezifischen Optimierungsrechnung erfolgt eine rechnerische Bestimmung der verfahrensgemäßen Pulsform. Dabei wird ein Berechnungsmodell angewandt, mit dem die optischen Eigenschaften, wie Reflexionsgrad und Absorptionsgrad, für einen beliebigen zeitlichen Verlauf der Pulsleistung während einer Pulsfolge berechnet werden können. In das Berechnungsmodell gehen auch die Kennwerte für die Eigenschaften des Materials ein.The time course of the pulse power during a pulse sequence is determined by a material-specific optimization calculation. With such a material-specific optimization calculation, a mathematical determination of the pulse shape according to the method takes place. In this case, a calculation model is applied, with which the optical properties, such as the degree of reflection and the degree of absorption, for any temporal course of the pulse power can be calculated during a pulse sequence. The characteristics of the material are also included in the calculation model.

Der zeitliche Verlauf der Pulsleistung wird durch mehrmalige Anwendung des Berechnungsmodells iterativ verbessert, bis das Berechnungsergebnis einen optimal großen Reflexionsgrad an der Flanke der Abtragsvertiefung ergibt.The chronological progression of the pulse power is iteratively improved by repeated application of the calculation model until the result of the calculation yields an optimally large reflectance at the flank of the ablation well.

Mit dem Berechnungsmodell wird die dielektrische Funktion des Materials in Abhängigkeit der Materialparameter und der Pulsleistung während der Pulsfolge berechnet. Dazu wird die Ausbreitung der Strahlung in der Abtragsvertiefung unter Berücksichtigung der laserinduzierten dielektrischen Funktion berechnet, wobei berücksichtigt wird, dass die dielektrische Funktion entlang der Flanke unterschiedliche Werte aufweist.The calculation model is used to calculate the dielectric function of the material as a function of the material parameters and the pulse power during the pulse sequence. For this purpose, the propagation of the radiation in the removal recess is calculated taking into account the laser-induced dielectric function, taking into account that the dielectric function has different values along the edge.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenFurther details and features of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing show

1 schematisch eine mit Laserstrahlung erzeugte Abtragsvertiefung, die dazu dient, geometrische Größen zu definieren, wie sie auch in der vorstehenden Beschreibung verwendet werden und erläutert sind, 1 3 schematically shows a laser-generated Abtragsveriefung which serves to define geometric sizes, as they are also used in the above description and are explained,

2 eine Grafik der projizierten Intensität, der absorbierten Intensität und der Schwellenintensität für einen Abtrag, wie er in 1 dargestellt ist, 2 a graph of projected intensity, absorbed intensity, and threshold intensity for ablation, as shown in FIG 1 is shown

3 schematisch die Abtragsvertiefung der 1 mit Kennzeichnung der verschiedenen Rissbildungen/Schädigungen zweiter Art und dritter Art, 3 schematically the Abtragsvertiefung the 1 with identification of the different types of cracking / damage of the second kind and third kind,

4 eine simulierte Abtragsvertiefung, die die Ausbreitung der sich ausbildenden Risse zweiter Art und dritter Art darstellt, 4 a simulated excavation well, which represents the propagation of the second and third type of fractures forming,

5 eine schematische Skizze, um die Entstehung einer Abtragsvertiefung mit rauen Abtragsflanken zu erläutern, und 5 a schematic sketch to explain the emergence of a Abtragsvertiefung with rough Abtragsflanken, and

6 das Beugungsmuster, das durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an den Abtragsflanken entsteht. 6 the diffraction pattern, which results from diffraction of the incident laser radiation at the Abtragsflanken.

In der Darstellung der 1 ist schematisch eine Abtragsvertiefung 1 dargestellt, die in einem dünnen Glasmaterial 2 mit einer Dicke d mittels mindestens einem gepulstem Laserstrahl mit einer Intensität I, die zum Abtragen führt, der eine vordefinierte Breite b_L besitzt und in Richtung der strichpunktierten Linie 6 einfällt, gebildet ist.In the presentation of the 1 is schematically a Abtragsveriefung 1 shown in a thin glass material 2 with a thickness d by means of at least one pulsed laser beam with an intensity I, which leads to the ablation, which has a predefined width b _L and in the direction of the dotted line 6 is formed, is formed.

Diese Abtragsvertiefung 1 besitzt Seitenflächen 3, die auch als Abtragsflanken oder nur als Flanken bezeichnet werden, die von einer Eintrittskante 4 an der Oberfläche 5 des Materials 2 ausgehen. Der Übergang der Oberfläche 5 in die Abtragsvertiefung 1 ist mit den Punkten A und A' (Eintrittskante 4) markiert.This removal well 1 has side surfaces 3 , which are also referred to as Abtragsflanken or only as flanks, by an entrance edge 4 on the surface 5 of the material 2 out. The transition of the surface 5 in the excavation recess 1 is with the points A and A '(leading edge 4 ).

Die Eintrittskante 4 ist ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche 5 des Werkstücks 2, wo ein unveränderter Teil der Oberfläche des Werkstücks in den Teil der Oberfläche übergeht, in dem der Abtrag von Werkstoff stattgefunden hat und eine Abtragsvertiefung entstanden ist. Die Eintrittskante 4 ist ein Randbereich der Abtragsvertiefung 1, der im Querschnitt der Abtragsvertiefung 1 bei A bzw. A' liegt.The leading edge 4 is a spatially extended area of the surface 5 of the workpiece 2 where an unchanged part of the surface of the workpiece merges into the part of the surface in which the removal of material has taken place and a Abtragsveriefung has arisen. The leading edge 4 is an edge region of the Abtragsveriefung 1 , in the cross-section of the excavation cavity 1 at A or A 'is.

Die Eintrittskante 4 kann auch als Rand der Abtragsvertiefung 1 bezeichnet werden und ist entsprechend eine durch den Abtrag von Werkstoff erzeugte Oberfläche des Werkstücks oder erzeugte Kante. An dem Rand bzw. der Kante der Abtragsvertiefung erfolgt der Übergang von der nicht abgetragenen Oberfläche des Werkstücks in die Abtragsvertiefung hinein.The leading edge 4 can also be used as an edge of the excavation cavity 1 be designated and is accordingly a by the removal of material generated surface of the workpiece or edge created. At the edge or the edge of the Abtragsveriefung the transition from the non-abraded surface of the workpiece into the Abtragsveriefung into it.

Die Flanken 3 der Abtragsvertiefung 1 verlaufen unter einem räumlich veränderlichen Flankenwinkel w, wobei der Flankenwinkel w als der lokale Winkel zwischen der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke 3 der Abtragsvertiefung 1 und der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche 5 des Materials 2 definiert ist.The flanks 3 the Abtragsvertiefung 1 extend under a spatially varying flank angle w, where the flank angle w is the local angle between the surface normal n _F on the flank 3 the Abtragsvertiefung 1 and the surface normal n ₀ on the non-abraded surface 5 of the material 2 is defined.

Zu Beginn des Abtragens bildet sich eine breite und flache Abtragsvertiefung 1 mit kleinem Flankenwinkel im Zentrum der Abtragsvertiefung 1. Dieser Teil der abgetragenen Oberfläche, das bedeutet die Grundfläche der Abtragsvertiefung 1, wird als Abtragsgrund 7 bezeichnet. Die Aufteilung der Oberfläche der Abtragsvertiefung 1 in Flanken 3 und Abtragsgrund 7 wird durch den stark unterschiedlichen Wert für deren Flankenwinkel w vorgenommen. Der Übergang zwischen Abtragsflanke 3 und Abtragsgrund 7 ist durch die Punkte B und B' markiert. Typischerweise nimmt die Grundfläche 7 der Abtragsvertiefung 1 eine Breite b (zwischen den Punkten B und B') an, die mit zunehmender Abtragstiefe, die, ausgehend von der Oberfläche 5, mit d bezeichnet ist, kleiner wird, bis ein so genannter „Abtragsstop” einsetzt. Die Tiefe d der Abtragsvertiefung 1 kann durch eine größere Bestrahlungsdauer oder Pulsdauer oder Pulsanzahl nicht weiter vergrößert werden.At the beginning of the ablation, a broad and shallow excavation depression forms 1 with a small flank angle in the center of the Abtragsvertiefung 1 , This part of the abraded surface, that means the base of the Abtragsvertiefung 1 , is used as a reason for erosion 7 designated. The division of the surface of the Abtragsvertiefung 1 in flanks 3 and erosion reason 7 is made by the strongly different value for their flank angle w. The transition between Abtragsflanke 3 and erosion reason 7 is marked by the points B and B '. Typically, the footprint decreases 7 the Abtragsvertiefung 1 a width b (between the points B and B ') which increases with increasing depth of removal, starting from the surface 5 , denoted by d, becomes smaller until a so-called "erosion stop" begins. The depth d of the excavation recess 1 can not be further increased by a longer irradiation time or pulse duration or number of pulses.

Der Vektorpfeil n₀ gibt die Oberflächennormale, die senkrecht auf der nicht abgetragenen Oberfläche 5 des Materials 2 steht, an und der Vektorpfeil n_F gibt die Oberflächennormale auf der Flanke 3 der Abtragsvertiefung 1 an. Der Winkel w zwischen der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche 5 und der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke 3 der Abtragsvertiefung 1 wird als Flankenwinkel w bezeichnet. Die Abtragsflanken 3 der Abtragsvertiefung 1 verlaufen über die Strecke AB bzw. A'B' in dem in 1 schematisch dargestellten Querschliff.The vector arrow n ₀ gives the surface normal, perpendicular to the non-abraded surface 5 of the material 2 stands, and the vector arrow n _F gives the surface normal on the flank 3 the Abtragsvertiefung 1 at. The angle w between the surface normal n ₀ on the non-abraded surface 5 and the surface normal n _F on the flank 3 the Abtragsvertiefung 1 is referred to as flank angle w. The erosion edges 3 the Abtragsvertiefung 1 run over the distance AB or A'B 'in the in 1 cross section shown schematically.

Während des Abtragsvorgangs überschreitet der Flankenwinkel w, unabhängig von einer räumlichen Position entlang der Flanke, einen für das Produkt aus dem Kosinus des Flankenwinkels w mit der Intensität I der Laserstrahlung und einen für das Material spezifischen Grenzwinkel w_max. Der Grenzwinkel w_max ist definiert als der Winkel, bei dem kein Abtrag mehr stattfindet.During the removal process, the flank angle w, regardless of a spatial position along the flank, exceeds one for the product of the cosine of the flank angle w with the intensity I of the laser radiation and a limiting angle w _max specific to the material. The critical angle w _max is defined as the angle at which no removal takes place.

Für die Laserstrahlung, die mit ihrer Strahlachse entlang der strichpunktierten Linie 6 einfällt, wird eine elliptische Strahlform des Querschnitts der Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zu der Strahlungsachse (Linie 6) eingestellt.For the laser radiation, with its beam axis along the dot-dash line 6 is incident, an elliptical beam shape of the cross section of the laser radiation in a plane perpendicular to the radiation axis (line 6 ).

In der Fokusebene der Laserstrahlung – in 1 befindet sich der Fokus vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Strahlungsachse 6 und auf der Oberfläche 5 des nicht abgetragenen Materials – liegt die große Halbachse der Ellipse in Vorschubrichtung, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, und die kleine Halbachse ist senkrecht dazu (in Richtung des Doppelpfeils b_L) ausgerichtet; entsprechend liegt der Strahlradius w₀₁ in Richtung der kleinen Halbachse der Laserstrahlung, am Eintritt der Abtragsvertiefung dort, wo der unveränderte Teil der Oberfläche des Werkstücks in die Abtragsvertiefung hinein übergeht, und wird auf einen solchen Wert eingestellt, dass der Flankenwinkel w nahezu 90 Winkelgrade erreicht und die erreichbare Abtragstiefe mindestens um einen Faktor 5 größer wird als für einen größeren Strahlradius, bei dem der Flankenwinkel w kleiner als ein materialspezifischer Grenzwinkel w_max ist, bei dem kein Abtrag mehr stattfindet. Der Strahlradius w₀₂ der großen Halbachse der Laserstrahlung wird auf einen solchen Wert eingestellt, dass die Rayleighlänge z_R02 mindestens so groß ist wie die halbe Abtragstiefe.In the focal plane of the laser radiation - in 1 the focus is preferably in a plane perpendicular to the radiation axis 6 and on the surface 5 of the non-abraded material - is the major axis of the ellipse in the feed direction, which is perpendicular to the plane, and the small semi-axis is perpendicular thereto (in the direction of the double arrow b _L ) aligned; Correspondingly, the beam radius w ₀₁ lies in the direction of the small semiaxis of the laser radiation at the entrance of the removal recess where the unchanged part of the surface of the workpiece merges into the removal recess, and is adjusted to such a value that the flank angle w reaches almost 90 degrees and the achievable removal depth is greater by at least a factor of 5 than for a larger beam radius, in which the flank angle w is smaller than a material-specific critical angle w _max , at which no more removal takes place. The beam radius w _{02 of} the large semiaxis of the laser radiation is set to such a value that the Rayleigh _length z _{R02 is} at least as large as half the removal depth.

Das Erzeugen eines ausgedehnten Abtragsgrunds 7, der nahezu senkrecht zur Richtung der Strahlungsachse 6 liegt und einen sehr kleinen Flankenwinkel w von < 10 Winkelgraden aufweist, ist ein wesentlicher Aspekt dieser Erfindung. Die Breite b des Abtragsgrunds 7 wird durch einen kleinen Strahlradius (für 1 μm Laserwellenlänge kleiner als 6 μm) erreicht und ist nahezu gleich groß wie die Breite b_L der Laserstrahlung. Die Abtragsvertiefung 1 nimmt für kleine Strahlradien w₀₁ die Form eines Zylinders mit elliptischer Grundfläche, wie ein Wellenleiter, an.The creation of an extensive Abtragsgrunds 7 which is nearly perpendicular to the direction of the radiation axis 6 is and has a very small flank angle w of <10 degrees, is an essential aspect of this invention. The width b of Abtragsgrunds 7 is achieved by a small beam radius (for 1 micron laser wavelength less than 6 microns) and is almost the same size as the width b _{L of} the laser radiation. The excavation recess 1 For small beam radii w _{01 takes} the form of a cylinder with elliptical base, such as a waveguide to.

Im Gegensatz dazu wird mit einem sehr schmalen, kreisrunden Querschnitt einer Abtragsvertiefung nur eine sehr kleine Abtragstiefe d erreicht, da sich das abgetragene Material wieder an der Flanke anlagert und die Abtragsvertiefung wieder verschließt.In contrast, only a very small removal depth d is achieved with a very narrow, circular cross-section of a removal recess, since the removed material attaches itself to the flank and closes the removal recess again.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die erreichbare Abtragstiefe d wesentlich vergrößert, indem anstelle einer kreisrunden Abtragsvertiefung eine elliptische Abtragsvertiefung erzeugt wird, indem die Flanke zumindest in einer Richtung – der Vorschubrichtung – senkrecht zur Strahlungsachse vergrößert wird.By means of the method according to the invention, the achievable excavation depth d is substantially increased by producing an elliptical removal recess instead of a circular removal recess by increasing the edge at least in one direction - the feed direction - perpendicular to the radiation axis.

In der Grafik der 2 sind die projizierte Intensität durch eine Kurve 8 (durchgezogene Linie), die absorbierte Intensität durch eine Kurve 9 (unterbrochene Linie) dargestellt und die Schwellenintensität ist durch die Linie 10 (strichpunktierte Linie) für den Abtrag, wie er in 2 dargestellt ist, gezeigt.In the graph of 2 are the projected intensity through a curve 8th (solid line), the absorbed intensity through a curve 9 (broken line) and the threshold intensity is through the line 10 (dash-dotted line) for the removal, as in 2 is shown.

Typischerweise kann ein Grenzwinkel w_max für die Flankenwinkel w bzw. die Steigung der Schnittkante/Abtragskante nicht überschritten werden. Der Grenzwinkel w_max hat einen für die projizierte Intensität und das Material spezifischen Wert von typischerweise 70 Winkelgraden und kann experimentell bestimmt werden. Typically, a critical angle w _max for the flank angle w or the pitch of the cut edge / removal edge can not be exceeded. The critical angle w _max has a specific value for the projected intensity and the material of typically 70 degrees and can be determined experimentally.

Wie die 2 zeigt, kann der vorstehend erwähnte Grenzwinkel w_max durch den Schnittpunkt der Kurve 8 für die im Material absorbierte Intensität und der Kurve 9 der Schwellenintensität für den Abtrag bestimmt werden, wie dies in der Grafik dargestellt ist. Ist die absorbierte Intensität kleiner als die Schwellenintensität für den Abtrag, dann kann kein weiterer Abtrag mehr erfolgen: ein so genannter Bohrstopp tritt ein, wenn sich die Flanken der Abtragsvertiefung in der Tiefe d treffen. Der Bohrstopp setzt bei einer kleinen Tiefe ein, wenn der maximale Wert w_max für den Flankenwinkel w der Abtragsvertiefung klein ist und sich folglich die Flanken der Abtragsvertiefung bereits in einer kleineren Tiefe d treffen.As the 2 shows, the above-mentioned critical angle w _max through the intersection of the curve 8th for the intensity absorbed in the material and the curve 9 the threshold intensity for the removal, as shown in the graph. If the absorbed intensity is less than the threshold intensity for the removal, then no further removal can take place: a so-called drill stop occurs when the flanks of the removal depression meet at depth d. The drill stop starts at a small depth when the maximum value w _max for the flank angle w of the cut-off recess is small and consequently the flanks of the cut-off recess already meet at a smaller depth d.

Ein Durchmesser der Abtragsvertiefung 1, der klein ist, bewirkt am Rand der Abtragsvertiefung 1 eine verkleinerte Absorption und eine Führung der Laserstrahlung an der fortschreitenden Front der Abtragsvertiefung durch Mehrfachreflexion bzw. Wellenleitung. Erfindungsgemäß tritt dieser vorteilhafte Effekt auch beim Abtragen/Schneiden auf, wenn lediglich der Durchmesser der Abtragsvertiefung verkleinert wird und keine Totalreflexion vorliegt. Erfindungsgemäß tritt dieser Effekt auch an einer Schneidfront auf, wenn die Abtrags- bzw. Schneidfront eine teilweise geöffnete wellenleitende geometrische Form aufweist und nicht in einer etwa zylindrischen Form die Strahlung einschließt, wie dies von der Faserführung bekannt ist.A diameter of the Abtragsveriefung 1 , which is small, causes at the edge of the Abtragsvertiefung 1 a reduced absorption and a guide of the laser radiation at the progressive front of the Abtragsvertiefung by multiple reflection or waveguide. According to the invention, this advantageous effect also occurs during removal / cutting, if only the diameter of the removal recess is reduced and there is no total reflection. According to the invention, this effect also occurs at a cutting front when the ablation or cutting front has a partially opened waveguiding geometric shape and does not enclose the radiation in an approximately cylindrical shape, as is known from the fiber guide.

Soweit in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist die Rückseite des Werkstücks bzw. Werkstoffs die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks bzw. Werkstoffs.As far as used in the present description, the back of the workpiece or material is the surface of the workpiece or material facing away from the laser radiation.

Eine das Licht brechende, zum Beispiel fokussierende, Eigenschaft der Eintrittskante 4 ist für die Erfindung von besonderer Bedeutung. Die Eintrittskante 4 kann nämlich eine geometrische Form und eine Ausdehnung aufweisen, die zwei unerwünschte Effekte bewirken kann, die allerdings durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden oder wesentlich verringert werden können. Zum einen kann durch die geometrische Form eine unerwünschte Fokussierung der einfallenden Laserstrahlung in den Werkstoff auftreten und zum anderen kann durch die Ausdehnung die Leistung der einfallenden Laserstrahlung, die von der Eintrittskante 4 erfasst und dann in den Werkstoff fokussiert wird, in unerwünschter Weise einen Wert annehmen, so dass die Intensität in dem Fokus der Eintrittskante 4 eine Elektronendichte ρ erzeugt, die einen Schwellenwert ρ_damage der Elektronendichte für eine Schädigung des Werkstoffs, bei dem Schädigungen/Risse einsetzen, überschreitet und einen Schwellenwert ρ_ablation der Elektronendichte für einen Abtrag nicht erreicht.A property of the leading edge which breaks the light, for example focussing 4 is of particular importance to the invention. The leading edge 4 may in fact have a geometric shape and an extent that can cause two undesirable effects, however, which can be avoided or substantially reduced by the inventive method. On the one hand, an undesired focusing of the incident laser radiation into the material can occur due to the geometric shape and, on the other hand, the expansion of the power of the incident laser radiation coming from the leading edge 4 and then focused into the material, undesirably take on a value such that the intensity in the focus of the leading edge 4 generates an electron density ρ which exceeds a threshold value ρ _{damage of} the electron density for damage to the material in which damage / cracking occurs and does not reach a threshold value ρ _{ablation of} the electron density for a removal.

Bei der Schädigung des Werkstoffs treten drei unterschiedliche Arten von Rissen auf. Bei den drei unterschiedlichen Erscheinungsformen von Schädigungen/Rissen handelt es sich bei
Rissen erster Art um Rückseitenschädigungen,
Rissen zweiter Art um Eintrittskantenschädigungen,
Rissen dritter Art um Schädigungen, die von der Oberfläche der Abtragsvertiefung, das bedeutet von den Flanken der Abtragsvertiefung, ausgehen.When damaging the material, three different types of cracks occur. The three different manifestations of damage / tears are:
Cracks of the first kind about backside damage,
Cracks of the second kind about entry edge damage,
Cracks of the third kind about damage originating from the surface of the excavation recess, that is to say from the flanks of the excavation recess.

Risse erster Art sind solche, die schon dann auftreten, wenn von der Vorderseite – wo die Laserstrahlung einfällt – noch keine Schädigung und auch kein Abtrag erfolgt ist.Cracks of the first kind are those that occur even when the front - where the laser radiation is incident - no damage and no removal has taken place.

Risse zweiter Art und dritter Art werden anhand der 3 und 4 verdeutlicht; gerade diese Risse werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.Cracks of the second kind and third kind are determined by the 3 and 4 clear; just these cracks are avoided by the method according to the invention.

Risse oder Schädigungen zweiter Art – auch Spikes genannt – gehen von der Eintrittskante 4 aus. Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine – im Vergleich zu den Rissen dritter Art – große Tiefe in das Volumen des Werkstoffs. Diese von der Eintrittskante 4 ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch „Filamente” genannt, Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalische Ursache) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstoffs erreichen. Insbesondere, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Ausdehnung der Eintrittskante 4 verkleinert und so die Leistung der Laserstrahlung verkleinert, die für die Risse 2. Art ursächlich ist.Cracks or damage of the second kind - also called spikes - go from the leading edge 4 out. The cracks or damages of the second kind run over a large depth into the volume of the material compared to the cracks of the third kind. This from the leading edge 4 outgoing material modifications / damage can also be visible in the volume or arise (they are called "filaments", Kerr effect and self-focusing are the physical cause) or even reach the back or the laser radiation remote surface of the material , In particular, the expansion of the leading edge is achieved by the method according to the invention 4 reduced and thus reduces the power of the laser radiation, which is responsible for the cracks 2nd type.

Risse dritter Art, die ebenso durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden bzw. deutlich unterdrückt werden, sind nicht so tief eindringende Risse und treten zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art – entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) – auf; sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante 4 beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung 1 auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken 3) einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in den Werkstoff aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in den Werkstoff ein. Die raue Abtragsvertiefung 1 weist im Vergleich zur Eintrittskante 4 eine Rauigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante 4.Cracks of the third kind, which are likewise avoided or clearly suppressed by the method according to the invention, are not cracks which penetrate so deeply and occur in addition to the cracks of the second kind or damage of the second kind along the abraded surface (cut edge); they are not on the area near the leading edge 4 limited and occur where the laser radiation in the Abtragsveriefung 1 on the abraded surface (Abholungsflanken 3 ). They spread from the worn surface into the material. The cracks of the third kind penetrate less deeply into the material compared to the cracks of the first kind. The rough excavation recess 1 points in comparison to the leading edge 4 a roughness with smaller radii of curvature. The focusing effect of the rough excavation recess is much stronger than the focusing effect of the leading edge 4 ,

In den 3 und 4 erscheinen die Risse/Schädigungen im Glas 2 als schattierte Gebiete; die Risse zweiter Art sind mit dem Bezugszeichen 22 und die Risse dritter Art mit dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet.In the 3 and 4 the cracks / damages appear in the glass 2 as shaded areas; the cracks of the second kind are indicated by the reference numeral 22 and the cracks of the third kind with the reference numeral 33 characterized.

Erreichen die von der abgetragenen Oberfläche ausgehenden Risse 22 die Unterseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstoffs, dann können sie oft von den Rissen erster Art, das bedeutet Schädigungen der Unterseite des Werkstücks, ohne dass die Oberseite des Werkstücks bereits abgetragen ist, nicht mehr unterschieden werden. Risse oder Schädigungen 33 der dritten Art beginnen an der rauen Abtragsvertiefung 1, d. h. an der abgetragenen Oberfläche, und dort, wo die abgetragene Oberfläche eine Abweichung von einer Ebenheit aufweist.Achieve the cracks emanating from the abraded surface 22 the underside or the laser radiation facing away from the surface of the material, then they can often no longer be distinguished from the cracks of the first kind, which means damage to the underside of the workpiece without the top of the workpiece is already removed. Cracks or damage 33 of the third kind begin at the rough excavation recess 1 ie at the abraded surface, and where the abraded surface has a deviation from flatness.

Diese Abweichung der Abtragsvertiefung 1 von der Ebenheit entsteht dadurch, dass die einfallende Laserstrahlung an dem Eintritt der Abtragsvertiefung und in deren Verlauf in die Tiefe des Werkstücks (Abtragsfront, Schnittkante) gebeugt wird und eine Beugungsstruktur aufweist, wie sie in den 5 und 6 dargestellt ist.This deviation of the Abtragsveriefung 1 The flatness results from the fact that the incident laser radiation is diffracted at the entrance of the removal recess and in its course into the depth of the workpiece (ablation front, cutting edge) and has a diffraction structure as shown in FIGS 5 and 6 is shown.

Diese Beugungsstruktur ist eine räumliche Modulation der Intensität und erzeugt die Abweichung von einer ebenen Abtragsfront. Die entstehende Beugungsstruktur für die Intensität der Strahlung in der Abtragsvertiefung 1 führt zu Überhöhungen der Intensität an der Abtragsfront und damit zu einer Abweichung der Abtragsfront von einer glatten oder ebenen Abtragsfront.This diffraction structure is a spatial modulation of the intensity and generates the deviation from a flat erosion front. The resulting diffraction structure for the intensity of the radiation in the Abtragsveriefung 1 leads to overshoots of the intensity at the Abtragsfront and thus to a deviation of Abtragsfront of a smooth or flat Abtragsfront.

Claims

A method for removing brittle-hard material of a workpiece by means of pulsed laser radiation which has a radiation axis in the beam direction and which is moved perpendicular to the radiation axis in a feed direction and in which by the removal by means of at least one laser beam with a predefined width b _L a Abtragsveriefung, wherein the Side surfaces of this Abtragsvertiefung be referred to as flanks and the base of this Abtragsvertiefung is referred to as Abtragsgrund and assumes a width b, which has at least 1/3 of the predefined width b _{L of} the laser beam and is not smaller with increasing Abtragstiefe d forms, and wherein Both the Abtragsgrund and the flanks of Abtragsvertiefung in the material under a spatially varying flank angle w run, wherein the flank angle w than the local angle between the surface normal n _F on the flank of the Abtragsvertiefung and the surfaces normal n _{0 is defined} on the non-abraded surface of the material, wherein during the removal process, the flank angle w, regardless of a spatial position along the flank, one for the product of the cosine of the flank angle w with the intensity I of the laser radiation and one for the Material specific critical angle w _max , wherein the critical angle w _{max is} defined as the angle at which no more removal takes place, characterized in that an elliptical beam shape of the cross section of the laser radiation is set in a plane perpendicular to the radiation axis, wherein, in Focus of the laser radiation, the major axis of the ellipse in the feed direction and the semi-minor axis are aligned perpendicular thereto and the beam radius w ₀₁ in the direction of the semi-minor axis of the laser radiation, at the entrance of the Abtragsveriefung, where the unchanged part of the surface of the workpiece in the Abtragsvertiefung into, on a value is set such that the flank angle w reaches almost 90 degrees and the achievable excavation depth is at least a factor of 5 greater than for a larger beam radius, in which the flank angle w is smaller than a material-specific critical angle w _max , at which no more removal takes place, and that the beam radius w _{02 of} the large half-axis of the laser radiation is set to such a value that the Rayleigh _length z _{R02 is} at least as large as half the Abtragstiefe.

A method according to claim 1, characterized in that the value for the beam radius w _{01 of} the semi-minor axis is determined in a simulated ablation on a brittle-hard material corresponding to the workpiece by the beam radius w _{01 is} gradually reduced until a threshold-like change of the flank angle w of Values w <= w _max less than or equal to the material-specific critical angle w _max to large values of the flank angle w of nearly 90 degrees occurs.

A method according to claim 1, characterized in that the value for the beam radius w _{01 of} the semi-minor axis in an experimental ablation on a brittle-hard material corresponding to the workpiece is determined by the beam radius w _{01 is} gradually reduced until a threshold-like change of the flank angle w of Values w <= w _max less than or equal to the material-specific critical angle w _max to large values of the flank angle w of nearly 90 degrees occurs.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the time profile of the pulse power is adjusted, so that the reflectance increases at the edge of the Abtragsveriefung.

A method according to claim 4, characterized in that the method and according to time course of the pulse power of pulse trains each with a short, intense pulse with a duration of typically <10 ps while being removed the and a subsequent longer pulse with a greater period of time of typically 10 to 1000 ps, during which is not eroded, composed.

A method according to claim 4 or claim 5, characterized in that the short, intense pulse in its time duration as long as reduced and increased in its intensity until the material on the flank strongly reflects the radiation, so that almost no damage occurs.

Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the procedural temporal course of the pulse power is determined by a material-specific optimization calculation.