DE10231969A1 - Beam forming optical element for laser machining device e.g. for forming bores or holes in a substrate, uses refraction for altering beam intensity distribution - Google Patents

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Abstract

The optical element (220) has an input surface (224a) and an output surface which are each rotationally symmetrical to the optical axis of the optical element and which are curved relative to the latter within an input region (227) and an output region respectively, so that an input light beam (211) with an initial intensity distribution profile is refracted to provide an output light beam (221) having a constant intensity distribution within a target region at a given distance from the optical element. An Independent claim for a laser machining method is also included.

Description

Optisches Element zur Formung eines Lichtstrahls und Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen.Optical element for forming a Light beam and method for processing objects using laser beams.

Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls, insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung des optischen Elements.The invention relates to an optical Element for change the transverse intensity distribution of a Light beam, in particular for the targeted shaping of the transverse intensity profile a laser beam from an input profile to an output profile. The invention further relates to a method for processing objects by means of laser beams, in particular for drilling holes in Substrates using the optical element.

Standardmäßige Laserbearbeitungsmaschinen umfassen eine Laserlichtquelle, eine Kollimationsoptik, eine Ablenkeinheit und eine Fokussieroptik. Die Kollimationsoptik weist üblicherweise einen sog. Strahlaufweiter auf, mittels welchem der Querschnitt des Laserstrahls vergrößert wird, so dass der bearbeitende Laserstrahl bei einem kleineren Fokusdurchmesser auf das zu bearbeitende Objekt fokussiert werden kann. Die Ablenkeinheit weist üblicherweise zwei beweglich gelagerte Spiegel auf, mittels welchen der bearbeitende Laserstrahl gezielt auf ein Bearbeitungsfeld gelenkt werden kann. Die Fokussieroptik ist im allgemeinen eine sog. Planfeldoptik oder f-Theta-Linse mit einer Brennweite von ungefähr 50 bis 150 mm. Laserbearbeitungsmaschinen mit diesen Standardkomponenten können bei unterschiedlichen Wellenlängen der bearbeitenden Laserstrahlen betrieben werden.Standard laser processing machines comprise a laser light source, collimation optics, a deflection unit and focusing optics. The collimation optics usually have a so-called beam expander, by means of which the cross section the laser beam is enlarged, so that the machining laser beam with a smaller focus diameter can be focused on the object to be processed. The deflection unit usually points two movably mounted mirrors, by means of which the processing Laser beam can be directed onto a processing field. The focusing optics is generally a so-called plan field optics or f-theta lens with a focal length of approximately 50 to 150 mm. Laser processing machines with these standard components at different wavelengths of the processing laser beams are operated.

Ein allgemein bekanntes Problem bei dem Bohren von Löchern (Sacklöcher oder Durchgangslöcher) oder beim Strukturieren bzw. Abtragen von Materialien mittels Laserstrahlen besteht darin, dass die Energie bzw. die Intensität des bearbeitenden Laserstrahls über dem Querschnitt nicht gleichmäßig, sondern i.a. gaußförmig oder zumindest annähernd gaußförmig verteilt ist und somit ein im wesentlichen gaußförmiges Strahlungsprofil vorliegt. Dies bedeutet, dass bei Bohren von Löchern in der Mitte eines gebohrten Lochs eine größere Bohrtiefe erreicht wird als an dem Rand des Lochs. Ferner bewirkt der Randbereich des gaußförmigen Laserstrahls ein unerwünschtes Aufheizen, Schmelzen und/oder eine unerwünschte chemische Veränderung des umgebenden, nicht abgetragenen Materials.A common problem with drilling holes (Blind holes or through holes) or when structuring or removing materials using laser beams is that the energy or intensity of the editing Laser beam over the cross-section is not uniform, but generally gaussian or at least approximately distributed in a Gaussian shape and thus there is an essentially Gaussian radiation profile. This means that when drilling holes in the middle of a drilled one Lochs a greater drilling depth is reached as at the edge of the hole. Furthermore, the edge area causes of the Gaussian laser beam an undesirable Heating, melting and / or an undesirable chemical change in the surrounding, not removed material.

Aus der US 5,841,099 ist ein Verfahren bekannt, mittels welchem das oben genannte Problem teilweise gelöst wird. Dabei wird eine Lochblende verwendet, um die unerwünschten Randbereiche des Laserstrahls abzuschirmen. Der verbliebene zentrale Teil des Laserstrahls mit seiner hohen Intensität wird dann über eine Abbildungsoptik auf das zu bearbeitende Objekt gelenkt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass an dem Rand der Lochblende Beugungseffekte auftreten, welche die Qualität des bearbeitenden Laserstrahls herabsetzen.From the US 5,841,099 a method is known by means of which the above-mentioned problem is partially solved. A pinhole is used to shield the unwanted edge areas of the laser beam. The remaining central part of the laser beam with its high intensity is then directed onto the object to be processed via imaging optics. However, this method has the disadvantage that diffraction effects occur at the edge of the pinhole, which reduce the quality of the laser beam being processed.

Aus der WO 00/73013 ist ein weiteres Verfahren zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung eines bearbeitenden Laserstrahls bekannt. Dabei wird eine komplexe und kostenintensive diffraktiv wirkende Vorrichtung eingesetzt, welche aus mehreren optischen Komponenten besteht. Dabei werden einzelne durch Diffraktion erzeugte Teilstrahlen selektiert und anschließend fokussiert. Die einzelnen Komponenten müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein und in dem Strahlengang an genau bestimmten Positionen angeordnet werden. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass ca. 15 bis 20% der Strahlungsenergie verloren geht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Vorrichtung nur bei einem festen Strahldurchmesser eingesetzt werden kann und dass sich Abweichungen von der optimalen Strahlqualität unmittelbar und stark auf die resultierende Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls auswirkt.Another is from WO 00/73013 Process for homogenizing the intensity distribution of an editing Laser beam known. Doing so becomes complex and costly diffractive device used, which consists of several optical components. Individuals are diffraction generated partial beams selected and then focused. The single ones Components need to be careful of each other be coordinated and in the beam path at precisely defined positions to be ordered. The disadvantage of this device is that about 15 to 20% of the radiation energy is lost. Another Disadvantage is that the device only with a fixed Beam diameter can be used and that there are deviations of the optimal beam quality directly and strongly on the resulting focus of the editing Laser beam affects.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und leicht zu handhabendes optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen zu schaffen, welches aufgrund einer möglichst homogenen Strahlintensität eine präzise Bearbeitung ermöglicht.The invention is therefore the object underlying an inexpensive and easy-to-use optical element for change the transverse intensity distribution to create a ray of light. Another object of the invention is to use a method to edit objects To create laser beams, which due to a possible homogeneous beam intensity a precise Processing enabled.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls dadurch erzeugt werden kann, dass für denjenigen Teil des Lichtstrahls, welcher die größte Intensität aufweist, eine zusätzliche Divergenz generiert wird, so dass zumindest ein Teil dieser Intensität in die äußeren Bereiche des Lichtstrahls gelenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das optische Element derart ausgerichtet wird, dass die optische Achse des optischen Elements mit dem Strahlengang des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls zusammenfällt. Das optische Element zeichnet sich dadurch aus, dass die Stärke der Refraktion des einfallenden Lichtstrahls von dem Abstand von der optischen Achse abhängt. Auf diese Weise kann in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element ein Lichtstrahl mit einem nahezu homogenen Intensitätsprofil erzeugt werden. Das erfindungsgemäße optische Element hat gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen. So ist beispielweise zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit einer im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung lediglich ein einziges refraktives optisches Element erforderlich, welches prinzipiell für jede Art von Laserlicht mit beliebiger Wellenlänge einsetzbar ist. Außerdem ist zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit einer im wesentlichen konstanten Lichtleistung lediglich ein einziges optisches Element erforderlich, welches prinzipiell für jede Art von Laserlicht mit beliebiger Wellenlänge einsetzbar ist. Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass die Homogenisierung des Lichtstrahls unabhängig von der Polarisation des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nur ein einziges optisches Element zur Homogenisierung des Intensitätsprofils eines Lichtstrahls erforderlich ist, so dass die Erfindung einfach in existierende oder zukünftige Laserbearbeitungsmaschinen implementiert werden kann.The device-related object is achieved by an optical element with the features of independent claim 1. The invention is based on the knowledge that a largely homogeneous intensity distribution of a light beam can be generated by having a portion of the light beam that has the greatest intensity additional divergence is generated, so that at least part of this intensity is directed into the outer regions of the light beam. This is achieved in that the optical element is aligned in such a way that the optical axis of the optical element coincides with the beam path of the light beam incident on the optical element. The optical element is characterized in that the strength of the refraction of the incident light beam depends on the distance from the optical axis. In this way, a light beam with an almost homogeneous intensity profile can be generated at a predetermined distance behind the optical element. The optical element according to the invention has a number of advantages over the prior art. For example, only a single refractive optical element is required to generate a light beam with an essentially constant intensity distribution, which element can in principle be used for any type of laser light with any wavelength. In addition, to generate a light beam with a substantially constant light track tion requires only a single optical element, which can in principle be used for any type of laser light with any wavelength. The invention also has the advantage that the homogenization of the light beam is independent of the polarization of the light beam incident on the optical element. Another advantage of the invention is that only a single optical element is required to homogenize the intensity profile of a light beam, so that the invention can be easily implemented in existing or future laser processing machines.

Gemäß Anspruch 2 weist das optische Element eine konkave Eingangsoberfläche und/oder eine konvexe Ausgangsoberfläche auf. Dies hat den Vorteil, dass das optische Element zumindest in der Nähe der optischen Achse die Form einer im allgemeinen nicht-sphärischen Linse aufweist, welche auf einfache Weise herstellbar ist.According to claim 2, the optical Element has a concave input surface and / or a convex output surface. This has the advantage that the optical element at least in the Near the optical axis the shape of a generally non-spherical Has lens, which is easy to manufacture.

Gemäß den Ansprüchen 4 und 5 wird die Krümmung der Eingangsoberfläche und/oder die Krümmung der Ausgangsoberfläche zumindest in der Nähe der optischen Achse durch eine Summe von verschiedenen Kosinusfunktionen beschrieben. Die einzelnen Kosinusfunktionen weisen dabei im allgemeinen unterschiedliche Periodizität und unterschiedliche Gewichtungsfaktoren auf.According to claims 4 and 5, the curvature of the input surface and / or the curvature of the output surface at least nearby the optical axis by a sum of different cosine functions described. The individual cosine functions generally point different periodicity and different weighting factors.

Gemäß Anspruch 6 ist das optische Element insbesondere für Lichtstrahlen mit im wesentlichen gaußförmigen Eingangsprofilen geeignet.According to claim 6 is the optical Element especially for Light rays with essentially Gaussian entrance profiles are suitable.

Gemäß Anspruch 7 wird eine besonders homogene Intensitätsverteilung eines geformten Lichtstrahls genau dann erreicht, wenn der auf das optische Element gerichtete und zu formende Lichtstrahl eine im wesentlichen vernachlässigbare Divergenz aufweist. Dies ist insbesondere bei Laserstrahlen der Fall.According to claim 7, one is special homogeneous intensity distribution of a shaped light beam if and only if it reaches the optical element directed and to be shaped a light beam in the essentially negligible Has divergence. This is particularly the case with laser beams Case.

Das optische Element ist gemäß Anspruch 8 aufgrund der Dispersion des Materials, aus welchem das optische Element hergestellt ist, für einen Lichtstrahl mit relativ geringer spektraler Verteilung geeignet. Als optisches Material eignet sich insbesondere Quarz, welches für eine Vielzahl von verschiedenen Wellenlängen geeignet ist und welches kostengünstig in hoher Qualität herstellbar ist.The optical element is according to claim 8 due to the dispersion of the material from which the optical Item is made for a light beam with a relatively low spectral distribution. Quartz, which is suitable for a large number, is particularly suitable as the optical material of different wavelengths and which is inexpensive in high quality can be produced.

Der Wirkungsgrad des optischen Elements, d.h. das Verhältnis zwischen der Intensität des transmittierten, geformten Lichtstrahls zu der Intensität des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls wird gemäß Anspruch 9 dadurch erhöht, dass die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind. Verluste durch unerwünschte Reflexionen können dadurch minimiert werden, dass die Antireflex-Beschichtung speziell für eine oder für mehrere Wellenlängen optimiert wird.The efficiency of the optical element, i.e. The relationship between the intensity of the transmitted, shaped light beam to the intensity of the the optical element incident light beam is according to claim 9 increased by that the entrance surface and / or the starting surface are provided with an anti-reflective coating. Losses through undesirable Reflections can minimized by making the anti-reflective coating special for one or for multiple wavelengths is optimized.

Gemäß Anspruch 10 sind die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche derart gekrümmt, dass die auf das optische Element treffenden Randstrahlen des einfallenden Lichtstrahls von der optischen Achse weggebrochen werden. Dies wird am einfachsten dadurch realisiert, dass die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche in dem Bereich der auftreffenden Randstrahlen keine Krümmung, d.h, eine Krümmung mit einem unendlich großen Radius, aufweisen. Alternativ kann die Krümmung in diesem Bereich auch ein unterschiedliches Vorzeichen als die Krümmung in dem achsennahen Bereich aufweisen. Das Eliminieren der Randstrahlen durch Refraktion hat den Vorteil, dass die Zentralstrahlen des zu formenden Lichtstrahls praktisch nicht geschwächt werden, so dass die Effizienz des optischen Elements vergleichbar ist mit der Effizienz einer Lochblende.According to claim 10, the entrance surface and / or the starting surface so curved that the marginal rays of the incident on the optical element Light beam are broken away from the optical axis. this will easiest realized by the entrance surface and / or the starting surface no curvature in the area of the incident marginal rays, i.e. a curvature with an infinitely large Radius. Alternatively, the curvature can also be in this area a different sign than the curvature in the area near the axis exhibit. The elimination of the marginal rays by refraction has the advantage that the central rays of the light beam to be shaped practically not weakened be so that the efficiency of the optical element is comparable is with the efficiency of a pinhole.

Gemäß Anspruch 11 werden die von der optischen Achse weggebrochenen Randstrahlen auf einen Strahlabsorber gelenkt, so dass die relativ intensitätsschwachen Randstrahlen aus dem geformten Lichtstrahl zuverlässig eliminiert werden.According to claim 11, the of edge rays broken away on the optical axis onto a beam absorber deflected out, so that the relatively low-intensity marginal rays the shaped light beam reliably be eliminated.

Die verfahrensbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere beim Bohren von Löchern in Substrate ein Lichtstrahl mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung erforderlich ist, um eine hohe Lochqualität, d.h. einen möglichst scharfen Übergang zwischen dem gebohrten Loch und dem umgebenden Randbereich des Lochs zu erreichen. Eine hohe Lochqualität wird erreicht, wenn das Substratmaterial in unmittelbarer Umgebung des Lochs möglichst wenig aufgeschmolzen wird. Durch die erfindungsgemäße Strahlformung wird ein derartiges unerwünschtes Aufschmelzen verhindert.The procedural task of Invention is solved by a method with the features of independent claim 12. The method according to the invention is based on the knowledge that especially when drilling holes a light beam with as homogeneous an intensity distribution as possible in substrates is required to ensure high hole quality, i.e. one if possible sharp transition between the drilled hole and the surrounding edge area of the hole to reach. A high hole quality is achieved when the substrate material is melted as little as possible in the immediate vicinity of the hole. Through the beam shaping according to the invention becomes such an undesirable Prevents melting.

Gemäß Anspruch 13 wird der zu formende Laserstrahl vor dem Durchdringen des optischen Elementes mittels eines Strahlaufweiters aufgeweitet. Dies hat den Vorteil, dass der bearbeitende Laserstrahl mit einem kleinen Fokusdurchmesser auf die Oberfläche oder das Innere des zu bearbeitenden Objekts abgebildet werden kann und dass der bearbeitende Laserstrahl zudem eine große Tiefenschärfe aufweist.According to claim 13, the one to be molded Laser beam before penetrating the optical element of a beam expander expanded. This has the advantage that the processing laser beam with a small focus diameter the surface or the inside of the object to be processed can be mapped and that the processing laser beam also has a large depth of field.

Das optische Element ist besonders für die Formung von gepulsten Laserstrahlen geeignet, da die homogene Intensitätsverteilung im Zentrum des Laserstrahls und die Reduzierung der Lichtintensität außerhalb dieses zentralen Bereichs dazu führt, dass beispielsweise beim Bohren von Löchern die Randbereiche um die Löcher herum einer geringeren Wärmebelastung ausgesetzt sind und somit eine bessere Lochqualität erzielbar ist.The optical element is special for the Formation of pulsed laser beams is suitable because of the homogeneous intensity distribution in the center of the laser beam and reducing the light intensity outside of it central area leads to that, for example, when drilling holes, the edge areas around the holes a lower heat load are exposed and thus a better hole quality can be achieved is.

Das Verfahren gemäß Anspruch 15 hat den Vorteil, dass durch die dynamische Variation des Abstandes zwischen dem optischen Element und der zu bearbeitenden Oberfläche ein Bohren von verschiedenartig geformten, beispielsweise konischen Löchern möglich ist. Ferner kann bei einer Variation des Abstandes zwischen dem optischen Element und der zu bearbeitenden Sub stratoberfläche durch ein Ändern der Expansions- und Divergenzfaktoren eines Strahlaufweiters eine Vielzahl von verschiedenen Intensitätsprofilen des geformten Laserstrahls erreicht werden.The method according to claim 15 has the advantage that, due to the dynamic variation of the distance between the optical element and the surface to be processed, it is possible to drill differently shaped, for example conical, holes. Furthermore, with a variation of the distance between the optical element and the substrate to be processed, the substrate surface can be changed by changing the expansion ons and divergence factors of a beam expander a variety of different intensity profiles of the shaped laser beam can be achieved.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform, welche anhand der Zeichnung erläutert wird. An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich die Bezugszeichen einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.Other advantages and features of present invention will become apparent from the following exemplary Description of a currently preferred embodiment, which is based on the Drawing explained becomes. At this point it should be noted that the reference numerals corresponding components only in their first digit differ.

1 zeigt den Aufbau einer Laserbearbeitungsmaschine mit einem optischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows the structure of a laser processing machine with an optical element according to an embodiment of the invention.

2 illustriert in einer schematischen Darstellung die Strahlformung durch ein refraktives optisches Element. 2 illustrates in a schematic representation the beam shaping by a refractive optical element.

3 zeigt die refraktive Wirkung des in 2 dargestellten optischen Elements. 3 shows the refractive effect of the in 2 illustrated optical element.

Eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem optischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Laser 100 auf, welcher einen Laserstrahl 101 emittiert. Der Querschnitt des Laserstrahls 101 wird mittels eines Strahlaufweiters 110 aufgeweitet und der resultierende aufgeweitete Laserstrahl 111 wird auf das optische Element 120 gelenkt. Das optische Element 120 erzeugt einen geformten Laserstrahl 121, welcher mittels einer Ablenkeinheit 130, welche zwei nicht dargestellte, um zueinander senkrechte Achsen bewegliche Spiegel aufweist, auf ein zu bearbeitendes Substrat 150 gelenkt wird. Eine zwischen der Ablenkeinheit 130 und dem zu bearbeitenden Substrat 150 angeordnete Planfeldoptik 140 sorgt dafür, dass der bearbeitende Laserstrahl 141 unabhängig von der Stellung der beiden Spiegel stets auf der planen Oberfläche des Substrats 150 fokussiert wird.A laser processing machine with an optical element according to an exemplary embodiment of the invention has a laser 100 on which is a laser beam 101 emitted. The cross section of the laser beam 101 is by means of a beam expander 110 expanded and the resulting expanded laser beam 111 is on the optical element 120 directed. The optical element 120 creates a shaped laser beam 121 which by means of a deflection unit 130 , which has two mirrors, not shown, which are movable about mutually perpendicular axes, on a substrate to be processed 150 is directed. One between the deflection unit 130 and the substrate to be processed 150 arranged plan field optics 140 ensures that the machining laser beam 141 regardless of the position of the two mirrors, always on the flat surface of the substrate 150 is focused.

2 illustriert die refraktive Strahlformung eines Laserstrahls 211 mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil 212. Die Divergenz des zu formenden Laserstrahls 211 ist in guter Näherung zu vernachlässigen. Dies wird durch die vier horizontalen Pfeile auf der linken Seite von 2 verdeutlicht. Das Intensitätsprofil 212 umfasst einen Zentralbereich 212a und einen Randbereich 212b. Die Aufteilung zwischen Zentralbereich und Randbereich ist willkürlich, sie wird jedoch im allgemeinen so gewählt, dass die Intensität in dem Zentralbereich 212a ungefähr 86% der gesamten Intensität und die Intensität in dem Randbereich 212b ungefähr 14% der Gesamtintensität beträgt. Dies entspricht einem Intensitätsverhältnis zwischen der Strahlungsintensität in dem Randbereich 212b zu der gesamten Strahlungsintensität von 1/e2. Das optische Element wird relativ zu dem zu formenden Laserstrahl 211 derart positioniert, dass die optische Achse des optischen Elements 220, wie in der 2 dargestellt, mit dem Strahlengang des Laserstrahls 211 zusammen fällt. 2 illustrates the refractive beam shaping of a laser beam 211 with a Gaussian intensity profile 212 , The divergence of the laser beam to be shaped 211 can be neglected in a good approximation. This is indicated by the four horizontal arrows on the left of 2 clarified. The intensity profile 212 includes a central area 212a and an edge area 212b , The division between the central area and the peripheral area is arbitrary, but it is generally chosen so that the intensity in the central area 212a approximately 86% of the total intensity and the intensity in the edge area 212b is about 14% of the total intensity. This corresponds to an intensity ratio between the radiation intensity in the edge area 212b to the total radiation intensity of 1 / e 2 . The optical element becomes relative to the laser beam to be shaped 211 positioned such that the optical axis of the optical element 220 , like in the 2 shown with the beam path of the laser beam 211 falls together.

Das optische Element 220 weist eine Eingangsoberfläche auf, welche in einem achsennahen Eingangsbereich 227 eine unterschiedliche Krümmung aufweist als in einem von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereich 228. Wie aus 2 ersichtlich, weist die Eingangsoberfläche 224a nahe der optischen Achse innerhalb des Eingangsbereich 227 eine unterschiedliche Krümmung auf als die Eingangsoberfläche 224b innerhalb des von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereichs 228. Das optische Element 220 umfasst ferner eine Ausgangsoberfläche 225, welche ebenfalls eine Krümmung aufweist, die allerdings in der schematischen Darstellung in 2 nicht zu erkennen ist.The optical element 220 has an input surface which is in an input region close to the axis 227 has a different curvature than in an output region spaced from the optical axis 228 , How out 2 visible, shows the entrance surface 224a near the optical axis within the entrance area 227 a different curvature than the input surface 224b within the output area spaced from the optical axis 228 , The optical element 220 further includes an exit surface 225 , which also has a curvature, which, however, is shown schematically in 2 is not recognizable.

Nach dem Durchgang durch das optische Element 220 entsteht ein transmittierter Laserstrahl 221, welcher einen geformten Zentralstrahl 221a und weggebrochene Randstrahlen 221b aufweist. Der Zentralstrahl 221a, welcher nahe der optischen Achse innerhalb des Eingangsbereiches 227 verläuft, weist im Vergleich zu dem Zentralbereich 212a des ungeformten Laserstrahls 211 eine weitaus gleichmäßigere Intensitätsverteilung auf. Die Homogenisierung des Intensitätsprofils ist durch vier Pfeile auf der rechten Seite von 2 illustriert, welche die durch die Refraktion des optischen Elements 220 innerhalb des Eingangsbereich 227 erzeugte Divergenz verdeutlichen. Die Randstrahlen 221b werden infolge einer Refraktion an der Eingangsoberfläche 224b von dem Zentralstrahl 221a separiert. Es wird darauf hingewiesen, dass der Verlauf der Intensitätsverteilung aufgrund der generierten Divergenz von dem Abstand zwischen dem optischen Element 220 und Ebene abhängt, in der die Intensitätsverteilung beobachtet wird.After passing through the optical element 220 a transmitted laser beam is created 221 which has a shaped central beam 221a and broken edge rays 221b having. The central ray 221a , which is close to the optical axis within the entrance area 227 runs, points in comparison to the central area 212a of the unshaped laser beam 211 a much more even intensity distribution. The homogenization of the intensity profile is indicated by four arrows on the right side of 2 illustrated by the refraction of the optical element 220 inside the entrance area 227 illustrate the divergence generated. The marginal rays 221b are due to a refraction at the entrance surface 224b from the central beam 221a separated. It is pointed out that the course of the intensity distribution due to the generated divergence from the distance between the optical element 220 and depends on the level at which the intensity distribution is observed.

3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Strahlengänge des einfallenden Laserstrahls 311 und des geformten Laserstrahls 321. Der einfallende Laserstrahl 311 wird, wie in Zusammenhang mit 2 erläutert, in einen Zentralbereich 312a und einen Randbereich 312b aufgeteilt. Der geformte, durch das optische Element 320 transmittierte Laserstrahl 321 umfasst einen geformten Zentralstrahl 321a mit einem Ausgangsprofil 322 und von der optischen Achse weggebrochene Randstrahlen 321b. Die Eingangsoberfläche des optischen Elements 320 ist in eine Eingangsoberfläche 324a und eine Eingangsoberfläche 324b unterteilt, wobei die Eingangsoberfläche 324a innerhalb des achsennahen Eingangsbereiches eine bestimmte Krümmung aufweist und die Eingangsoberfläche 324b innerhalb eines von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereichs eine weitere Krümmung aufweist. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Eingangsoberfläche 324b wie die Mantelfläche eines Kegelstumpfes gekrümmt, so dass in der in 3 dargestellten Querschnittsansicht die Eingangsoberfläche 324b als gerade Linie zu erkennen ist. Die Eingangsoberfläche 324a nahe der optischen Achse wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch folgende analytische Funktion beschrieben:

Figure 00100001
3 shows a schematic representation of the beam paths of the incident laser beam 311 and the shaped laser beam 321 , The incident laser beam 311 will, as related to 2 explained in a central area 312a and an edge area 312b divided up. The shaped, through the optical element 320 transmitted laser beam 321 includes a shaped central beam 321a with an initial profile 322 and marginal rays broken away from the optical axis 321b , The input surface of the optical element 320 is in an entrance surface 324a and an entrance surface 324b divided, with the input surface 324a has a certain curvature within the input region near the axis and the input surface 324b has a further curvature within an output region spaced from the optical axis. According to the exemplary embodiment of the invention described here, the input surface is 324b curved like the outer surface of a truncated cone, so that in the 3 Cross-sectional view shown the entrance surface 324b can be recognized as a straight line. The entrance surface 324a near the optical axis is described according to the exemplary embodiment shown here by the following analytical function:
Figure 00100001

Das dieser Formel zugrundeliegende Koordinatensystem umfasst eine x-Achse, welche mit der optischen Achse des optischen Elements 320 und damit mit dem Laserstrahl 311 zusammenfällt. Die y-Achse des obiger Formel zugrundeliegenden Koordinatensystems schneidet die Eingangsoberfläche des optischen Elements 320 genau an den beiden Übergängen 324c, welche in 3 als "Knickstellen" zu erkennen sind und welche die Grenze zwischen der Eingangsoberfläche 324a und der Eingangsoberfläche 324b darstellen.The coordinate system on which this formula is based comprises an x-axis, which coincides with the optical axis of the optical element 320 and thus with the laser beam 311 coincides. The y-axis of the coordinate system on which the above formula is based intersects the input surface of the optical element 320 exactly at the two transitions 324c , what a 3 can be recognized as "kinks" and which are the boundary between the entrance surface 324a and the entrance surface 324b represent.

Die Ausgangsoberfläche des optischen Elementes 320 lässt sich analog zur Eingangsoberfläche ebenso in zwei Teiloberflächen, eine Ausgangsoberfläche 325a innerhalb des Eingangsbereichs nahe der optischen Achse des optischen Elementes und in eine Ausgangsoberfläche 325b innerhalb des von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereichs aufteilen. Wie aus 3 ersichtlich, weist die Ausgangsoberfläche 325b keinerlei Krümmung auf. Die Krümmung der Ausgangsoberfläche 325a wird analog zu der Krümmung der Eingangsoberfläche 324a durch folgende Funktion beschrieben:

Figure 00100002
The exit surface of the optical element 320 analogous to the entrance surface, it can also be divided into two sub-surfaces, one exit surface 325a within the entrance area near the optical axis of the optical element and into an exit surface 325b divide within the output area spaced from the optical axis. How out 3 visible, has the starting surface 325b no curvature. The curvature of the initial surface 325a becomes analogous to the curvature of the entrance surface 324a described by the following function:
Figure 00100002

In den angegebenen Formeln werden die Koordinaten x und y jeweils in der Einheit Millimeter angegeben. Der Faktor c1 entspricht einem Korrekturfaktor und hat gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Wert von 105,6.In the formulas given the coordinates x and y are given in millimeters. The factor c1 corresponds to a correction factor and has according to this here described embodiment a value of 105.6.

Es wird darauf hingewiesen, dass die angegebenen Formeln die Krümmungen der Eingangsoberfläche 324a und der Ausgangsoberfläche 325a mit einer Genauigkeit beschreiben, die bei durchgeführten Simulationsrechnungen zu befriedigenden Ergebnissen, d.h. zu einem Ausgangsprofil 322 des geformten Laser strahls 321 führt, mittels welchem eine gegenüber herkömmlichen Strahlprofilen deutlich verbesserte Laserbearbeitung möglich wird.It should be noted that the formulas given are the curvatures of the entrance surface 324a and the starting surface 325a Describe with a precision that the results to be satisfied with the simulation calculations carried out, ie to an initial profile 322 of the shaped laser beam 321 leads, by means of which laser processing is significantly improved compared to conventional beam profiles.

Die weggebrochenen Randstrahlen 321b werden auf einen Strahlabsorber 370 gelenkt, welcher verhindert, dass die weggebrochenen Randstrahlen 321b beispielsweise durch unterwünschte Reflektionen wieder zurück in den Strahlengang des geformten Zentralstrahls 321a gelenkt werden.The edge rays broken away 321b are on a beam absorber 370 steered, which prevents the broken edge rays 321b for example, by undesired reflections back into the beam path of the shaped central beam 321a be directed.

Zusammenfassend schafft die Erfindung ein optisches Element 220 zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls 211, wobei eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung dadurch erzeugt wird, dass dem zentralen Bereich 212a des zu formenden Laserstrahls 211 infolge einer Refraktion durch das optische Element 220 eine zusätzliche Divergenz aufgeprägt wird, so dass die Intensitätsverteilung des transmittierten Laserstrahls eine gegenüber dem Eingangsprofil höhere Homogenität aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden schwache Randstrahlen 212b des zu formenden Lichtstrahls 211 von der optischen Achse des optischen Elements 220 weggebrochen und auf eine Strahlstoppvorrichtung 370 gelenkt. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung des optischen Elements 220. Durch eine Variation des Abstands zwischen dem zu bearbeitenden Objekt und dem optischen Element 220 während einer Laserbearbeitung kann die Intensitätsverteilung des bearbeitenden Laserstrahls derart verändert werden, dass eine Vielzahl von verschieden geformten Löchern gebohrt werden können.In summary, the invention creates an optical element 220 to change the transverse intensity distribution of a light beam 211 , wherein a homogenization of the intensity distribution is generated by the central area 212a of the laser beam to be shaped 211 due to refraction by the optical element 220 an additional divergence is impressed so that the intensity distribution of the transmitted laser beam has a higher homogeneity than the input profile. According to one embodiment, weak marginal rays are 212b of the light beam to be shaped 211 from the optical axis of the optical element 220 broken away and onto a beam stop device 370 directed. The invention also provides a method for processing objects using laser beams, in particular for drilling holes in substrates using the optical element 220 , By varying the distance between the object to be processed and the optical element 220 during laser processing, the intensity distribution of the processing laser beam can be changed such that a multiplicity of differently shaped holes can be drilled.

Claims (15)

Optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls (211), insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil, mit – einer optischen Achse, – einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Eingangsoberfläche (224a, 324a) und – einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Ausgangsoberfläche (325a), wobei die Eingangsoberfläche (224a, 324a) innerhalb eines Eingangsbereiches (227) um die optische Achse und die Ausgangsoberfläche (325a) innerhalb eines Ausgangsbereiches (228) um die optische Achse derart gekrümmt sind, dass ein entlang der optischen Achse auf die Eingangsoberfläche (224a, 324a) gerichteter Lichtstrahl (211) mit einem bestimmten Eingangsprofil aufgrund der Refraktion durch das optische Element (220, 320) gerade so geformt wird, dass der Lichtstrahl (221, 321) in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element (220, 320) ein Ausgangsprofil mit einer innerhalb eines Zielbereiches um die optische Achse im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung aufweist.Optical element for changing the transverse intensity distribution of a light beam ( 211 ), in particular for the targeted shaping of the transverse intensity profile of a laser beam from an input profile to an output profile, with - an optical axis, - an input surface that is rotationally symmetrical to the optical axis ( 224a . 324a ) and - an output surface that is rotationally symmetrical to the optical axis ( 325a ), the input surface ( 224a . 324a ) within an entrance area ( 227 ) around the optical axis and the output surface ( 325a ) within an exit area ( 228 ) are curved around the optical axis in such a way that a along the optical axis onto the input surface ( 224a . 324a ) directed light beam ( 211 ) with a certain input profile due to the refraction by the optical element ( 220 . 320 ) is shaped so that the light beam ( 221 . 321 ) at a predetermined distance behind the optical element ( 220 . 320 ) has an initial profile with an essentially constant intensity distribution within a target area around the optical axis. Optisches Element gemäß Anspruch 1, welches innerhalb des Eingangsbereiches (227) die Form einer nicht-sphärischen Linse mit einer konkaven Eingangsoberfläche und/oder einer konvexen Ausgangsoberfläche aufweist.Optical element according to claim 1, which within the entrance area ( 227 ) has the shape of a non-spherical lens with a concave input surface and / or a convex output surface. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, welches innerhalb des Eingangsbereiches (227) und/oder innerhalb des Ausgangsbereiches (228) parallel zur optischen Achse eine Dicke aufweist, die von der optischen Achse nach außen hin zunimmt.Optical element according to one of claims 1 to 2, which within the entrance area ( 227 ) and / or within the exit area ( 228 ) parallel to the optical axis has a thickness that increases outwards from the optical axis. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem innerhalb des Eingangsbereiches (227) die Krümmung der Eingangsoberfläche (224a, 324a) durch eine Summe von verschiedenen Kosinus-Funktionen beschreibbar ist.Optical element according to one of Claims 1 to 3, in which within the entrance area ( 227 ) the curvature of the entrance surface ( 224a . 324a ) can be described by a sum of different cosine functions. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem innerhalb des Eingangsbereiches (227) die Krümmung der Ausgangsoberfläche (325a) durch eine Summe von verschiedenen Kosinus-Funktionen beschreibbar ist.Optical element according to one of claims 1 to 4, in which within the entrance area ( 227 ) the curvature of the initial surface ( 325a ) can be described by a sum of different cosine functions. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, derart ausgebildet, dass ein Lichtstrahl (211, 311) mit einem im wesentlichen gaußförmigen Eingangsprofil formbar ist.Optical element according to one of claims 1 to 5, designed such that a light beam ( 211 . 311 ) can be formed with an essentially Gaussian entrance profile. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, derart ausgebildet, dass ein gerichteter Lichtstrahl (211, 311) mit im wesentlichen vernachlässigbarer Divergenz formbar ist.Optical element according to one of claims 1 to 6, designed such that a directed light beam ( 211 . 311 ) can be formed with essentially negligible divergence. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, derart ausgebildet, dass aufgrund der Dispersion ein im wesentlichen monochromatischer Lichtstrahl formbar ist.Optical element according to one of claims 1 to 7, designed such that an im essential monochromatic light beam is formable. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Eingangsoberfläche (224a, 224b) und/oder die Ausgangsoberfläche (225) eine Anti-Reflex-Beschichtung aufweisen.Optical element according to one of Claims 1 to 8, in which the input surface ( 224a . 224b ) and / or the starting surface ( 225 ) have an anti-reflective coating. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Eingangsoberfläche (224b, 324b) und/oder die Ausgangsoberfläche (325b) außerhalb des Eingangsbereiches (227) derart gekrümmt sind, dass die auf diesen Bereich treffenden Randstrahlen (212b, 312b) des Lichtstrahls (211) von der optischen Achse weggebrochen werden.Optical element according to one of Claims 1 to 9, in which the input surface ( 224b . 324b ) and / or the starting surface ( 325b ) outside the entrance area ( 227 ) are curved in such a way that the marginal rays hitting this area ( 212b . 312b ) of the light beam ( 211 ) are broken away from the optical axis. Optisches Element gemäß Anspruch 10, zusätzlich mit einer Strahlstoppvorrichtung (370), auf welche die von der opti schen Achse weggebrochenen Randstrahlen (221b, 321b) lenkbar sind.Optical element according to claim 10, additionally with a beam stop device ( 370 ) onto which the marginal rays that have broken away from the optical axis ( 221b . 321b ) are steerable. Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung eines optischen Elements (220, 320) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.Method for processing objects using laser beams, in particular for drilling holes in substrates using an optical element ( 220 . 320 ) according to one of claims 1 to 11. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Querschnitt des Laserstrahls (211, 311) vor dem Durchdringen des optischen Elements (220, 320) mittels eines Strahlaufweiters (110) aufgeweitet wird.The method of claim 12, wherein the cross section of the laser beam ( 211 . 311 ) before penetrating the optical element ( 220 . 320 ) using a beam expander ( 110 ) is expanded. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, bei dem ein gepulster Laserstrahl verwendet wird.Procedure according to a of claims 12 to 13, in which a pulsed laser beam is used. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Objekt (150) und dem optischen Element (220, 320) während der Laserbearbeitung verändert wird.Method according to one of Claims 12 to 14, in which the distance between the object to be processed ( 150 ) and the optical element ( 220 . 320 ) is changed during laser processing.
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