DE10242071A1

DE10242071A1 - Laserbearbeitungsverfahren und Laserberbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10242071A1
Application number: DE10242071A
Authority: DE
Inventors: Jun Amako; Kazuhiro Nishida; Kimio Nagasaka
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2003-07-03
Also published as: US20030052102A1; US6946620B2; JP2003305585A; US6642480B2; US20030205564A1

Abstract

In einem Laserbearbeitungsgerät, das einen ultrakurzen Pulslaser und ein fokussierendes optisches System umfaßt, wobei ein Werkstück durch Projizieren eines Strahls, der durch das fokussierende optische System auf das Werkstück gerichtet wird, bearbeitet wird, hat das fokussierende optische System wenigstens ein Paar einer beugenden Oberfläche und eine brechende Oberfläche. Weiterhin wird eine chromatische Aberration korrigiert oder es wird eine chromatische Aberration und eine Pulsverbreiterung korrigiert, indem die von der beugenden Oberfläche verursachte beugende Dispersion und die von der brechenden Oberfläche bewirkte brechende Dispersion ausgenutzt werden. Mit dieser Anordnung wird die chromatische Aberration oder sowohl die chromatische Aberration als auch die Pulsverbreiterung in der Anwendung des ultrakurzen Pulslasers korrigiert, wodurch praktische Anwendbarkeit und parktischer Wert der Anwendung durch Verbesserung der Genauigkeit, Qualität und Geschwindigkeit verbessert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren, bei dem ein Pulslaser verwendet wird, insbesondere ein Ultrakurzpulslaser, dessen Pulse eine zeitliche Breite von 10¹² Sekunden oder weniger wie zum Beispiel Femtosekunden (10^-15 Sekunden) breite Pulse haben, und ein Bearbeitungsgerät zur Durchführung des Bearbeitungsverfahrens.

Beschreibung des Stands der Technik

Seit kurzem besteht ein rapide zunehmendes Interesse an einer Bearbeitungstechnologie, bei der Pulslaser verwendet werden, insbesondere Ultrakurzpulslaser die Femtosekundenimpulse haben. Wenn jedoch Ultrakurzpulslaser, die eine Wellenlängen-Bandbreite haben, mit einer herkömmlichen einzelnen Brechungslinse fokussiert werden, dann treten chromatische Aberrationen auf, die durch die bei der Brechung auftretende Dispersion einer Brechungslinse bedingt ist (die Eigenschaft, dass der Brechungsindex von der Wellenlänge abhängt), wobei ein fokussierter Punkt quer und längs ausgedehnt wird. Die chromatische Aberration hängt von der Wellenlängen-Bandbreite des ultrakurzen Laserpulses ab und die Größe von der Dispersion der Brechungslinse.
Weiterhin wird die Pulsbreite eines ultrakurzen Pulslasers durch die Dispersion der Brechungslinse verbreitert. Die Größe dieser Pulsverbreiterung hängt von der Spitzenintensität des Pulses ab und zusätzlich hängt sie von der Wellenlängen-Bandbreite des Pulses und von der Dispersionscharakteristik des Linsenmaterials ab.
Dementsprechend ist es, wenn der ultrakurze Pulslaser zur Bearbeitung benutzt werden soll, um bei der Bearbeitung praktisch einsetzbar zu sein, notwendig, die chromatische Aberration zu korrigieren oder in manchen Fällen sowohl die chromatische Aberration als auch die Pulsverbreiterung zu korrigieren.
Weiterhin ist, wie zum Beispiel in Fig. 1 gezeigt, auch ein Bearbeitungsverfahren bekannt, bei dem der gepulste Strahl eines Lasergenerators 1 mittels eines Beugungselementes 2 in eine Vielzahl gepulster Strahlen aufgespalten wird, die Vielzahl aufgespaltener gepulster Strahlen mittels einer fokussierenden Brechungslinse 3, die hinter dem Beugungselement 2 angeordnet ist, fokussiert werden und die fokussierten gepulsten Strahlen auf ein Werkstück 4 gerichtet werden. Das Beugungselement 2 ist so ausgestaltet, dass seine Phase so verteilt ist, dass die aufgespalteten Strahlen jeweils mit im wesentlichen der gleichen Intensität auftreten.
Weiterhin hat die fokussierende Linse 3 eine Fouriertransformationswirkung und fokussiert die Vielzahl aufgespaltener gepulster Strahlen. Im allgemeinen besteht zwischen der Pulsbreite Δt eines Pulses und der Wellenlängen-Bandbreite Δλ des Pulses die folgende Beziehung

Δt.Δλ ≥ C (1)

wobei C eine Konstante darstellt. Aus der Gleichung (1) kann abgeleitet werden, dass ein Puls, der eine kürzere Pulsbreite hat, eine größere Wellenlängen-Bandbreite besitzt. Man beachte, dass für Femtosekundenpulse ein 100 Femtosekundenpuls eine Wellenlängenbandbreite von bis zu ± 10 nm hat.
Wenn die Wellenlängenbandbreite eines Pulses durch Δλ dargestellt wird, dann kann die Positionsabweichung (chromatische Aberration) Δh der Laserstrahlen, die durch das Beugungselement 2 aufgespalten sind, durch die folgende Beziehung (2) abgeschätzt werden:

Δh = (mf/p) Δλ (2)

wobei m die Ordnung der Beugung angibt, f die Brennweite der Linse und p eine Periodenlänge des Beugungselementes 2. Da die gepulsten Strahlen, welche durch das Beugungselement 2 aufgespalten sind, sich wie oben beschrieben verbreitern, verbreitert sich auch der Durchmesser eines Rohrlochs, das an der Position, an der die aufgespalteten Laserstrahlen fokussiert werden, bearbeitet wird, in der Beugungsrichtung. Während hier der Fall dargestellt ist, bei dem das Beugungselement eindimensional angeordnet ist, gilt dies auch für den Fall, dass es zweidimensional angeordnet ist.
Aus der Beziehung (2) ergibt sich, dass, wenn ein Femtosekundenimpuls mittels eines Beugungselementes aufgespalten wird, es schwierig ist, die Impulse, welche durch das Beugungselement aufgespalten wurden, in einen kleinen Punkt zu fokussieren, weil wegen der großen Wellenlänge- Bandbreite des Femtosekundenimpulses eine große chromatische Aberration entsteht. Dagegen gibt es bei langen Pulsen keine Probleme mit der obengenannten chromatische Aberration, selbst wenn die Pulse durch ein Beugungselement aufgespalten werden, weil die Wellenlängen-Bandbreite der Pulse vernachlässigbar ist.
Wenn der Femtosekundenpulslaser unter Benutzung eines optischen Systems, wie in Fig. 1 gezeigt, in eine Vielzahl gepulster Strahlen aufgespalten wird und die gepulsten Strahlen fokussiert werden, dann werden die fokussierten Punkte von gebeugten Strahlen höherer Ordnung wegen der Wellenlängenbandbreite der Impulse im Hinblick auf ihre Gestalt in der Beugungsrichtung verbreitert, wie in Fig. 2 gezeigt. Deshalb werden, wenn das Bündel fokussierter Punkte auf ein Werkstück gerichtet wird, die von Strahlen höherer Ordnung bearbeiteten Stellen zu ovaler Gestalt deformiert im Unterschied zu den Stellen, die durch Strahlen unterer Ordnung bearbeitet wurden. Dementsprechend ist es schwierig, eine gleichmäßige Bearbeitung an einer Vielzahl von Positionen sicherzustellen.
Die Femtosekundenlaserimpulse, welche in dem Experiment zum Aufspalten und Fokussieren mit dem optischen System, das in Fig. 1 dargestellt ist, verwendet wurden, hatten eine Pulsbreite von 100 fs, eine Pulsenergie von 1 mJ (Wiederholungsrate von 1 kHz), eine zentrale Wellenlänge von 800 nm, und eine halbe Wellenlängenbandbreite (Halbwerts-Bandbreite) von ± 10 mn.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die sich im Hinblick auf die obengenannten Probleme ergibt, ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren und ein Laserbearbeitungsgerät anzugeben, mit denen die Bearbeitung genauer erfolgen kann, indem chromatische Aberrationen korrigiert oder sowohl chromatische Aberrationen als auch Pulsverbreiterungen korrigiert werden, wenn die Bearbeitung mit einem einzelnen Strahl eines Pulslasers erfolgt oder wenn die Bearbeitung mit einer Vielzahl von Strahlen erfolgt, die durch Aufspalten eine Pulslaserstrahls entstanden sind.
Im Hinblick auf die oben genannten Probleme sieht die Erfindung die folgenden Verfahren und Anordnungen vor.

1. In einer Laserbearbeitungsmethode der vorliegenden Erfindung zur Bearbeitung eines Werkstücks durch Fokussieren eines Laserpulses und Richten des fokussierten Laserpulses auf ein Werkstück werden chromatische Aberrationen, die der Laserpuls aufweist, durch eine Kombination von beugenden und brechenden optischen Elementen korrigiert. Dem Verfahren entsprechend, werden Beugungs-Dispersion und Brechungs-Dispersion durch die beugenden bzw. brechenden optischen Elemente verursacht. Diese beiden Arten von Dispersion wirken sich in entgegengesetzter Weise aus, und die Größe der beugungsbedingten Dispersion ist größer als die der brechungsbedingten Dispersion, so dass sich die longitudinalen und lateralen chromatischen Aberrationen, die sich aus der Wellenlängenbandbreite der Pulslaser ergeben, gegenseitig aufheben oder hinreichend klein werden. Deshalb wird ein fokussierter Punkt kleiner und verbessert dadurch die Genauigkeit der Bearbeitung.
2. Weiterhin werden chromatische Aberrationen und Pulsverbreiterung, die mit dem Laserpuls verbunden sind durch die Kombination von beugenden und brechenden optischen Elementen korrigiert. Entsprechend des Verfahrens werden Beugungs-Dispersion und Brechungs-Dispersion durch die beugenden bzw. die brechenden optischen Elemente verursacht. Diese zwei Arten von Dispersionen schlagen sich in gegenteiliger Weise nieder, wobei die Größe der Beugungs-Dispersion größer ist als die der Brechungs-Dispersion, so dass die chromatischen Aberrationen und Pulsverbreiterungen, welche auf die Wellenlängenbandbreite eines Laserimpulses zurückzuführen sind, auf ein ausreichend kleines Niveau gedrückt werden. Deshalb wird ein fokussierter Punkt kleiner und somit die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert.
3. In einem Laserbearbeitungsgerät der vorliegenden Erfindung, das ein einen Pulslaser fokussierendes optisches System hat, und die Bearbeitung ausführt, indem ein Strahl, der vom fokussierenden optischen System auf ein Werkstück gerichtet ist, umfaßt das optische System wenigstens ein Paar einer beugenden Oberfläche und einer brechenden Oberfläche. Entsprechend dem Gerät funktioniert das Paar der beugenden Oberfläche und der brechenden Oberfläche so, dass es die Wirkungen welche unter (1) und (2) erklärt wurden herbeiführt, wodurch die Bearbeitung mit Nadelgenauigkeit erfolgen kann.
4. Das fokussierende optische System kann aus einer Brechungslinse bestehen, die eine beugende Oberfläche hat.
5. Weiterhin kann das fokussierende optische System eine Platte aufweisen, die eine brechende Oberfläche und eine Brechungslinse hat.
6. Eine andere Methode der vorliegenden Erfindung schließt die Schritte ein, dass ein Pulslaser mit einem aufspaltenden beugenden Element in eine Vielzahl von Strahlen aufgespalten wird, dass chromatische Aberrationen, die durch die Vielzahl von aufgespaltenen Strahlen entstehen, durch ein fokussierendes optisches System korrigiert werden, und die Vielzahl aufgespaltener Strahlen, deren chromatische Aberrationen korrigiert wurden, auf ein Werkstück fokussiert und gerichtet werden. Entsprechend dem Verfahren kann die Formabweichung, durch chromatische Aberrationen, der Ansammlung fokussierter Punkte, welche durch das Fokussieren der Pulsstrahlen, die durch das beugende Element aufgeteilt wurden, entstanden sind, verhindert werden.
7. Ein fokussierendes beugendes Element, das eine fokussierende Wirkung hat, kann als das fokussierende optische System verwendet werden, und die Entfernung zwischen dem strahlaufspaltenden beugenden Element und der dem fokussierenden beugenden Element kann ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden optischen Systems gewählt werden. Entsprechend der Anordnung wird die laterale Abweichung, die an dem Feld von Strahlen, die durch das aufspaltende beugende Element aufgespalten wurden, beseitigt, wodurch die Form und Größe des Feldes fokussierter Punkte, das von dem Feld von gepulsten Strahlen gebildet wird, die durch das aufspaltende beugende Element aufgespalten sind, ungefähr gleich gemacht werden können. Deshalb kann an einem Werkstück eine Vielzahl bearbeiteter Werkstücke erhalten werden, die ungefähr die gleiche Form und Größe haben.
8. Weiterhin kann ein optisches System, das aus wenigstens zwei Gruppen von denen jede beugende und brechende Wirkungen hat als optisches System verwendet werden, und die Position der Hauptebene des optischen System kann am besten eingestellt werden entsprechend dem Wellenlängenband des Pulslasers. Der Anordnung entsprechend werden laterale und longitudinale Abweichungen, die an dem Strahlenfeld, das durch das aufteilende beugende Element aufgeteilt wurde, bewirkt wurden, beseitigt, wobei die Formen und Größen des Feldes fokussierter Punkte das aus dem Feld gepulster Strahlen, welche durch das aufteilende beugende Element aufgeteilt wurden, gebildet werden, ungefähr gleich gemacht werden können. Deshalb kann auf einem Werkstück eine Vielzahl von Bearbeitungsmarken, die ungefähr dieselbe Form und Größe haben, erreicht werden.
9. Ein anderes Gerät der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Lasergenerator zum Erzeugen von Laserimpulsen, ein aufteilendes beugendes Element zum Aufteilen der Laserimpulse, die von dem Lasergenerator erzeugt wurden, in ein Strahlenfeld, und ein fokussierendes optisches System zum Fokussieren des Feldes von Laserstrahlen, die durch das aufteilende beugende Element aufgeteilt wurden, nachdem an den aufgeteilten Strahlen chromatische Aberrationen korrigiert wurden. Der Effekt, der unter Punkt (6) erklärt wurde, kann durch das Gerät erreicht werden.
10. Ein fokussierendes Beugungselement, das eine fokussierende Wirkung hat, kann als das fokussierende optische System verwendet werden, und die Entfernung zwischen dem aufteilenden beugenden Element und dem fokussierenden beugenden Element kann ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden optischen Systems eingestellt werden. Der Effekt, der unter Punkt (7) erklärt wurde, kann durch das Gerät erreicht werden.
11. Ein optisches System, das aus wenigstens zwei Gruppen besteht, von denen jedes eine brechende und eine beugende Wirkung hat, kann als das optische System eingesetzt werden. Der Effekt, der unter Punkt (8) erklärt wurde, kann durch das Gerät erreicht werden.
12. Man beachte, dass eine Brechungslinse, die wenigstens eine beugende Oberfläche hat, als eine Gruppe des optischen Systems, das brechende und beugende Eigenschaften hat, vorgesehen sein kann.
13. Wenigstens eine beugende Oberfläche und eine Brechungslinse, die in einem Glied, das unterschiedlich zu dem Glied ist, welches die beugende Oberfläche enthält, enthalten sind, können als eine Gruppe des optischen Systems, das brechende und beugende Eigenschaften hat vorgesehen sein.
14. Das optische System, welches aus den zwei Gruppen besteht, kann aus einer ersten Gruppe und aus einer zweiten Gruppe bestehen, wobei die beugende Oberfläche der ersten Gruppe negative Brechkraft haben kann, die Brechungslinse der ersten Gruppe positive Brechkraft haben kann, die Brechungslinse der zweiten Gruppe negative Brechkraft haben kann und die beugende Oberfläche der zweiten Gruppe positive Brechkraft haben kann.
15. Ein anderes Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die räumliche Intensitätsverteilung des Pulslasers durch ein beugendes Element zu einer vorgegebenen Gestalt formen. Dem Verfahren entsprechend können Laserimpulse, die für die Bearbeitung geeignet sind, einfach erhalten werden, indem das Beugungselement ersetzt wird.
16. Ein anderes Gerät der vorliegenden Erfindung kann einen beugenden Pulsformer enthalten, mit dem die räumliche Intensitätsverteilung des Pulslasers zu einer vorgegebenen Gestalt geformt wird. Der Effekt, der unter Punkt (15) erklärt wurde, kann durch das Gerät erreicht werden.
17. Weiterhin kann eine Phasenfunktion zur Formung der räumlichen Intensitätsverteilung des gepulsten Laserstrahls zu einer vorgegebenen Form vervielfältigt werden zu einer Phasenverteilung zum Aufspalten des gepulsten Laserstrahls. Der Bearbeitung entsprechend können Laserimpulse durch ein einziges Beugungselement aufgespalten und geformt werden, was zur Reduktion der Größe und der Kosten des Gerätes beiträgt.
18. Eine andere Methode der vorliegenden Erfindung schließt die Schritte der Beugung eines gepulsten Laserstrahls durch ein Beugungselement, das Korrigieren von chromatischen Aberrationen, die am gepulsten Laserstrahl durch ein fokussierendes optisches System verursacht sind, und die Bewegung der Fokusposition des Pulslasers durch Rotieren des beugenden Elements ein. Entsprechend dieser Methode kann die Bearbeitung mit Nadelspitzen-Genauigkeit erfolgen, durch das beugende Element und die Bestimmung der Bearbeitungsposition durch Rotieren des beugenden Elements zusätzlich zur Korrektur der chromatischer Aberrationen.
19. Man beachte, dass der Pulslaserstrahl aufgeteilt werden kann in eine Vielzahl von Strahlen und die Vielzahl aufgespaltener Strahlen fokussiert werden kann und in einem Muster angeordnet werden kann. Dieser Anordnung entsprechend kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Bearbeitungsergiebigkeit verbessert werden.
20. Ein fokussierendes Beugungselement, das eine fokussierende Wirkung hat, kann als das fokussierende optische System verwendet werden, und der Abstand zwischen dem aufspaltenden beugenden Element und dem fokussierenden beugenden Element kann ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden Beugungselements eingestellt werden. Entsprechend der Anordnung werden laterale chromatische Aberrationen beseitigt, die bei der Vielzahl von Strahlen auftreten, die durch das aufspaltende Beugungselement aufgespalten werden, wodurch die Formen und Größen des Feldes fokussierter Punkte, die durch die Vielzahl gepulster Strahlen, welche durch das aufspaltende beugende Element aufgespalten sind, ungefähr gleich gemacht werden.
21. Weiterhin kann ein optisches System, das aus wenigstens zwei Gruppen besteht, von denen jede brechende und beugende Wirkungen hat als das fokussierende optische System verwendet werden, und die Position der Hauptebene des optischen Systems kann am besten eingestellt werden entsprechend der Wellenlängen-Bandbreite des Pulslasers. Der Anordnung entsprechend werden laterale und longitudinale chromatische Aberrationen, die an der Vielzahl von Strahlen, die durch das aufspaltende beugende Element aufgespalten sind, verursacht sind, beseitigt, wodurch die Formen und Größen des Feldes fokussierter Punkte, die durch die Vielzahl gepulster Strahlen, welche durch das aufspaltende beugende Element aufgespalten sind, geformt sind, ungefähr gleich gemacht werden.
22. Ein anderes Gerät der vorliegenden Erfindung schließt einen Lasergenerator zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls ein, ein Beugungselement zum Beugen des Pulslasers, der vom Pulsgenerator erzeugt wurde, ein fokussierendes optisches System zum Korrigieren von chromatischen Aberrationen, die infolge der Wellenlängen-Bandbreite des Pulslasers an den gebeugten gepulsten Strahlen durch das beugende Element verursacht werden, und zum Fokussieren der gebeugten gepulsten Laserstrahlen, deren chromatische Aberrationen korrigiert wurden, und eine Dreheinheit zum Drehen des Beugungselements. Der Effekt, der unter Punkt (18) erklärt wurde, kann mit dem Gerät erreicht werden.
23. Man beachte, dass die Dreheinheit den fokussierten Punkt des Laserstrahls, der durch das Beugungselement gebeugt ist, rotieren und bewegen kann.
24. Ein aufteilendes Beugungselement zum Aufteilen des Pulslaserstrahls, der durch den Lasergenerator erzeugt ist in eine Vielzahl von Strahlen, kann vorgesehen sein und das aufteilende Beugungselement kann eine Vielzahl von aufgeteilten Strahlen erzeugen. Der Anordnung entsprechend wird eine Vielzahl von fokussierten Punkten geschaffen, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.
25. Man beachte, dass die optische Achse des Laserstrahls, der auf das beugende Element einfällt, so eingestellt werden kann, dass sie mit dem Rotationszentrum des Beugungselements zusammenfällt.
26. Weiterhin kann die optische Achse des Laserstrahls, der auf das Beugungselement einfällt, so eingestellt werden, dass sie vom Rotationszentrum des Beugungselements abweicht.
27. Ein fokussierendes Beugungselement, das eine Fokussierungswirkung hat, kann als das fokussierende optische System vorgesehen sein und die Entfernung zwischen dem beugenden Element und dem fokussierenden beugenden Element kann ungefähr gleich zur Brennweite des fokussierenden Beugungselements eingestellt werden. Der Effekt, der unter Punkt (20) erklärt wurde, kann durch das Gerät erreicht werden.
28. Ein optisches System, das aus wenigstens zwei Gruppen besteht, von denen jedes brechende und beugende Wirkungen hat, kann als das optische System angeordnet sein. Der Effekt der unter Punkt (21) erklärt wurde, kann durch das Gerät erreicht werden.
29. Man beachte, das eine Brechungslinse, die wenigstens eine beugende Oberfläche hat, als eine Gruppe des optischen Systems, das beugende und brechende Wirkungen hat, vorgesehen sein kann.
30. Weiterhin können wenigstens eine beugende Oberfläche und eine Brechungslinse, die ein Glied bildet, das unterschiedlich zu einem anderen Glied ist, an welchem die beugende Oberfläche vorgesehen ist, als eine Gruppe des optischen Systems, das brechende und beugende Wirkungen hat, vorgesehen sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines konventionellen Laserbearbeitungsgerätes zeigt;
Fig. 2 ist eine Ansicht, die das Feld fokussierter Punkte, das von einem konventionellen Laserbearbeitungsgerät gebildet wird, zeigt;
Fig. 3 ist eine Ansicht, welche die von einem konventionellen Laserbearbeitungsgerät verursachten Bearbeitungsspuren miteinander vergleicht;
Fig. 4 ist eine Graphik, die die Charakteristik der longitudinalen Aberration einer einzelnen Brechungslinse zeigt;
Fig. 5 ist eine Graphik, die die longitudinale Aberrationscharakteristik einer einzelnen Beugungslinse zeigt;
Fig. 6 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 1 zeigt;
Fig. 7 ist eine Graphik, die die longitudinale Aberrationscharakteristik eines fokussierenden optischen Systems des Beispiels 1 zeigt;
Fig. 8 ist ein Punktdiagramm, das eine Position, an der die Laserstrahlen durch das fokussierende optische System des Beispiels 1 fokussiert werden, zeigt;
Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 2 zeigt;
Fig. 10 ist eine Graphik, die die longitudinale Aberrationscharakteristik eines fokussierenden optischen Systems des Beispiels 2 zeigt;
Fig. 11 ist ein Punktdiagramm, das eine Position zeigt, an der die Laserstrahlen durch das fokussierende optische System des Beispiels 2 fokussiert werden.;
Fig. 12 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines fokussierenden optischen Systems eines konventionellen Laserbearbeitungsgerätes zeigt;
Fig. 13 ist eine Graphik, die die longitudinale Aberrationscharakteristik des fokussierenden optischen Systems, welches in Fig. 12 gezeigt ist, zeigt;
Fig. 14 ist ein Punktdiagramm, das eine Position zeigt, an der Laserstrahlen durch das kondensierende optische System, welches in Fig. 12 gezeigt ist, fokussiert werden;
Fig. 15 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung des Laserbearbeitungsgeräts eines Beispiels 3 zeigt;
Fig. 16 ist eine Ansicht, die ein optisches Layout des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 3 zeigt;
Fig. 17 ist eine Graphik, die ein Punktbild, welches durch das optische Layout des Beispiels 3 gebildet wird, zeigt;
Fig. 18 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen der Entfernung zwischen den Beugungsgittern und einer Positionsabweichung einer fokussierten Punktposition im Laserbearbeitungsgerät des Beispiels 3 zeigt;
Fig. 19 ist eine Ansicht, die das Feld fokussierter Punkte, welches durch das Laserbearbeitungsgerät des Beispiels 3 gebildet wird, zeigt;
Fig. 20 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 4 zeigt;
Fig. 21 ist eine Ansicht, die ein optisches Layout des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 4 zeigt;
Fig. 22 ist eine Graphik, die ein Punktbild, das durch das optische Layout des Beispiels 4 gebildet wird, zeigt;
Fig. 23 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispieles 5 zeigt;
Fig. 24 ist eine Ansicht, die ein optisches Layout des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 5 zeigt;
Fig. 25 ist eine Graphik, die ein Punktbild, das durch das optische Layout des Beispiels 5 gebildet wird, zeigt;
Fig. 26(a) und 26(b) sind Ansichten, die Pulsformen, welche in Laserbearbeitungen verwendbar ind, veranschaulichen;
Fig. 27 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 6 zeigt;
Fig. 28 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils des Laserbearbeitungsgerätes des Beispiels 6 erklärt;
Fig. 29 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 7 erklärt;
Fig. 30 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 8 erklärt;
Fig. 31 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 9 erklärt;
Fig. 32(a) und 32(b) sind Ansichten, die die Positionsbeziehungen zwischen dem Beugungselement entsprechend der Beispiele 6 oder 7 und der Position eines einfallenden Strahls erklären;
Fig. 33(a) bis 33(d) sind Ansichten, die Positionen, an denen die gebeugten Laserstrahlen durch die Laserbearbeitungsgeräte der Beispiele 6 und 7 fokussiert werden, erklären;
Fig. 34(a) und 34(b) sind Ansichten, die Modifizierungen des Hauptteils des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 9 zeigen;
Fig. 35 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 10 erklärt;
Fig. 36 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils des Laserbearbeitungsgerätes eines Beispiels 11 erklärt; und
Fig. 37(a) und 37(b) sind Ansichten, die Anordnungen von optischen Systemen, die als Hauptteile von Laserbearbeitungsgeräten von Beispielen 12 und 13 wirken, erklären.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsform 1

(Bearbeitung erfolgt durch einen einzelnen Strahl)

Wenn ein ultrakurzer Laserimpuls zur Bearbeitung eingesetzt wird, dann ist es notwendig, die chromatischen Aberrationen zu korrigieren bzw. in manchen Fällen die chromatische Aberration und die Pulsverbreiterung zu korrigieren, zusätzlich zu der Korrektur von normalen monochromatischen Aberrationen. Zu diesem Zweck ist ein fokussierendes optisches System, in dem eine beugende Oberfläche und eine brechende Oberfläche kombiniert sind, nützlich. Dies ist aus zwei Gründen der Fall, nämlich (1) weil die Beugungs-Dispersion, die durch die beugende Oberfläche verursacht ist, in einer entgegengesetzten Richtung erfolgt wie die Brechungs-Dispersion, die durch die brechende Oberfläche verursacht ist, und (2) weil die Größe der Beugungs-Dispersion um eine Ordnung größer ist als die der Brechungs-Dispersion. Fig. 4 und 5 zeigen beispielhaft die Aberrationscharakteristik einer einzelnen Brechungslinse und die entsprechende einer einzelnen Beugungslinse.
Ein fokussierendes optisches System, das aus einer Beugungsoberfläche und einer Brechungslinse besteht, wird nachfolgend betrachtet. Es wird angenommen, dass die Beugungsoberfläche auf oder im Kontakt mit der Brechungslinse angeordnet ist. Dieses fokussierende optische System hat eine resultierende Brennweite f, die durch die folgende Beziehung (3) gegeben ist:

1/f = 1/fd + 1/fr (3)

wobei, fd die Brennweite der beugenden Oberfläche ist, und fr die Brennweite der Brechungslinse.
Um chromatische Aberrationen und Pulsverbreiterungen des Pulslasers zu unterdrücken, ist es notwendig, dass verschiedene Wellenlängen in einem einzigen Punkt zu fokussiert werden. Zu diesem Zweck muß die folgende Beziehung (4) erfüllt werden.

0 = (1/fd)(1/vd) + (1/fr) (1/vr) (4)

wobei vd die inverse Dispersion einer beugenden Oberfläche angibt und vr die inverse Dispersion einer Brechungslinse angibt, die in den folgenden Formeln (5-1) und (5-2) definiert sind.

1/vd = - (Δλ/λ) (5-1)

1/vr = - (Δn/(n - 1)) (5-2)

wobei Δλ die Veränderung einer Wellenlänge λ angibt und Δn die Veränderung eines Brechungsindex n angibt. Die Werte von fd und fr ergeben sich aus den Beziehungen (3) und (4) wie in den folgenden Formeln gezeigt.

fd = f(vd - vr)/vd (6-1)

fr = f(vr - vd)/vr (6-2)
Von den Eigenschaften der Beugungs-Dispersion und der Brechungs-Dispersion ergibt sich vd < 0, vr > 0 und weiterhin |vd| << |vr|. Weiterhin ergeben sich fd > 0 und fr > 0, weil f > 0 ist. Dementsprechend wird die Brechkraft der Brechungslinse reduziert durch Verteilung von einiger Brechkraft an die beugende Oberfläche, wodurch die Dicke der Brechungslinse reduziert wird. Dies ist auch vorteilhaft, um die Pulsverbreiterung zu unterdrücken.
In einem tatsächlichen Design werden die monochromatische Aberration genau so wie die chromatische Aberration in Betracht gezogen. Zu diesem Zweck werden verschiedene Koeffizienten zur Definition der Phasenfunktion der beugenden Oberfläche und der Gestalt der brechenden Oberfläche streng durch Strahlenverfolgung (ray-tracing) bestimmt. Weiterhin wird die Pulsverbreiterung als ein Bewertungspunkt im Design hinzugefügt, zusätzlich zu den Aberrationscharakteristiken. Da die Größe der Pulsverbreiterung proportional zur Dicke der Linse ist, werden die beugende Oberfläche und die brechende Oberfläche so gestaltet, dass die Pulsverbreiterung kompensiert wird. Weiterhin hat der Impuls eine auf eine Ebene bezogene räumliche Intensitätsverteilung (zum Beispiel eine Gausssche Verteilung), was wegen einer nicht-linearen Wechselwirkung zwischen dem Strahl und dem Medium, durch das der Strahl hindurchtritt, zu einer nicht notwendigen Strahlenwellenfront- Aberration führt. Um diesem Problem gerecht zu werden, werden die beugende Oberfläche und die brechende Oberfläche auch unter Berücksichtigung von dieser nicht notwendigen Strahlenwellenfront- Aberration gestaltet.
Zwei Beispiele (Gestaltungsbeispiele) werden weiter unten beschrieben. Man beachte, dass die Beispiele auch Aberrationscharakteristiken eines Linsenpaares (doublet), das normalerweise verwendet wird, im Vergleich zu Aberrationscharakteristiken von fokussierenden Elementen zeigen.

Beispiel 1

Fig. 6 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung eines Laserbearbeitungsgerätes entsprechend einem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses Gerät enthält einen Lasergenerator 100 zum Erzeugen eines Laserstrahls, ein fokussierendes optisches System 300 zum Fokussieren des Laserstrahls, der im Lasergenerator 100 erzeugt wird. Das Gerät führt Materialbearbeitungen durch, indem ein Werkstück 200 mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, der durch das fokussierende optische System 300 fokussiert wird. Das fokussierende optische System besteht aus einer Brechungslinse 301, die eine beugende Oberfläche hat. Eine erste Oberfläche 301A der Linse 301 ist als brechende Oberfläche ausgestaltet, und eine zweite Oberfläche 301B der Linse 301 ist als beugende Oberfläche ausgestaltet. Die Linse 301 hat die folgenden Oberflächendaten. Die erste Oberfläche 301A hat einen Krümmungsradius von 2,36E - 02 und die zweite Oberfläche 301B hat einen Krümmungsradius von 0,00E + 00. Weiterhin wird eine Phasenfunktion Φ(r) zur Definition der beugenden Oberfläche untersucht. Die Phasenfunktion Φ(r) ist durch die folgende Gleichung (7) gegeben.

Φ(r) = Σ An.r²ⁿ (7)
In diesem Polynom stellt Σ die Summenfunktion dar, An stellt die Koeffizienten jeweiliger Terme dar und r ist die Position in der radialen Richtung. Dabei nimmt r einen Wert zwischen 0 und 1 an, normiert auf einen maximalen Radius, und n ist eine natürliche Zahl zwischen 1 und einem Endwert. Im Beispiel 1 schließen die entsprechenden Koeffizienten der Phasenfunktion Φ(r), welche die beugende Oberfläche der zweiten Oberfläche 301B definiert, einen Koeffizienten A1 der zweiten Ordnung (-5,882016), einen Koeffizienten der vierten Ordnung A2 (0,009745), einen Koeffizienten der sechsten Ordnung A3 (2,144441E - 6) und einen Koeffizienten der achten Ordnung A4 (4,673371E - 10) ein.
Fig. 7 ist eine Graphik, die die longitudinalen Aberrationscharakteristiken des fokussierenden optischen Systems 300 zeigt, und Fig. 8 ist ein Punktdiagramm, das zeigt, wo Laserstrahlen durch das optische System 300 fokussiert werden. Aus den Fig. 7 und 8 kann abgeleitet werden, dass longitudinale und laterale Aberrationen durch Verwendung des fokussierenden optischen Systems 300, in dem die beugende Oberfläche mit der brechenden Oberfläche kombiniert ist, auf ein praktisch akzeptables Maß reduziert worden sind. Des weiteren kann die Pulsverbreiterung, die auf die Brechungs-Dispersion zurückzuführen ist, auch zufriedenstellend unterdrückt werden, weil die Vorzeichen der longitudinalen Aberration bezüglich der Wellenlängen (hier 790 nm und 810 nm) an beiden Enden der spektralen Pulsbandbreite entgegengesetzt sind.

Beispiel 2

Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung eines Laserbearbeitungsgeräts entsprechend eines Beispiels 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sich ein fokussierendes optisches System des zweiten Beispiels von dem des ersten Beispiels unterscheidet. In der in Fig. 9 gezeigten Anordnung besteht ein fokussierendes optisches Systems 400 aus einer Platte 401, die eine beugende Oberfläche hat, und einer Brechungslinse 402, wobei die Platte 401 von der Brechungslinse 402 getrennt ist. Eine erste Oberfläche 401A der Platte 401 ist als eine beugende Oberfläche ausgebildet und eine zweite Oberfläche 401B der Platte 401 sowie dritte und vierte Oberflächen 402A und 402B der Brechungslinse 402 sind als brechende Oberflächen ausgebildet. Diese Oberflächen haben weiterhin die nachfolgenden Daten. Die erste Oberfläche 401A hat einen Krümmungsradius von 0,00E + 00, die zweite Oberfläche 401B hat einen Krümmungsradius von 0,00E + 00, die dritte Oberfläche 402A hat einen Krümmungsradius von 2,64E - 02 und die vierte Oberfläche 402B hat einen Krümmungsradius von 2,68E - 03. Weiterhin weisen die entsprechenden Koeffizienten der Phasenfunktion Φ(r), die die beugende Oberfläche der ersten Oberfläche 401A definiert, einen Koeffizienten zweiter Ordnung von -5,595371, einen Koeffizienten vierter Ordnung von 0,007109, einen Koeffizienten der sechsten Ordnung von -2,364591E - 6 und einen Koeffizienten der achten Ordnung von -2,10204E - 9 auf.
In Fig. 10 ist eine Graphik, die longitudinale Aberrationscharakteristiken des fokussierenden optischen Systems 400 zeigt, dargestellt, und in Fig. 11 ist ein Punktdiagramm dargestellt, das mit dem fokussierenden optischen System 400 erhalten wurde. Aus den Fig. 10 und 11 kann abgeleitet werden, dass die longitudinalen und lateralen Aberrationen durch Verwendung des fokussierenden optischen Systems 400, in dem die beugende Oberfläche mit der brechenden Oberfläche kombiniert ist, auf ein praktisch akzeptables Maß reduziert wurden. Weiterhin kann die Pulsverbreiterung, die auf die Brechungs-Dispersion zurückzuführen ist, auch zufriedenstellend reduziert werden, weil die Vorzeichen einer longitudinalen Aberration im Hinblick auf die Wellenlängen (hier 790 nm und 810 nm) an beiden Enden einer spektralen Pulsbandbreite entgegengesetzt sind.
Man beachte, dass es in den Beispielen 1 und 2 auch möglich ist, die Basisoberfläche der beugenden Oberfläche und/oder der brechenden Oberfläche als asphärische Oberfläche zu gestalten. Weiterhin ist es auch möglich, die Position der beugenden Oberfläche mit der der brechenden Oberfläche zu vertauschen.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung eines fokussierenden optischen Systems 500, das aus einem Paar konventioneller Linsen besteht, Fig. 13 zeigt Aberrationscharakteristiken des fokussierenden optischen Systems 500, und Fig. 14 zeigt ein Punktdiagramm davon, zum entsprechenden Vergleich des fokussierenden optischen Systems 500 mit denen der oben genannten Beispiele 1 und 2. In dieser Anordnung formen eine erste Oberfläche 501A und eine zweite Oberfläche 501B gemeinsam eine konvexe Linse 501, und eine dritte Oberfläche 502A und eine vierte Oberfläche 502B formen gemeinsam eine konkave Linse 502. Alle Oberflächen sind sphärisch. Die erste Oberfläche 501A hat einen Krümmungsradius von 3,90E - 02, die zweite Oberfläche 501B hat einen Krümmungsradius von -3,58E - 02, die dritte Oberfläche 502A hat einen Krümmungsradius von -3,89E - 02 und die vierte Oberfläche 502B hat einen Krümmungsradius von -1,50E - 02. Wenn das fokussierende optische Systems 500 mit denen der Beispiele 1 und 2 verglichen wird, dann wird die longitudinale Aberration nicht ausreichend korrigiert und das Punktdiagramm davon ist ungefähr zweimal so groß wie das der Beispiele 1 und 2. Weiterhin wird die Pulsverbreiterung, die durch die Brechungs-Dispersion entsteht, nicht ausreichend korrigiert, weil die Vorzeichen der longitudinalen Aberration bezüglich verschiedener Wellenlängen gleich sind.

Ausführungsform 2

(Verfahren, das von einer Vielzahl aufgespaltener Strahlen Gebrauch macht)

Beispiel 3

Fig. 15 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Laserbearbeitungsgeräts entsprechend einem Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Fig. 15 gezeigt, besteht dieses Laserbearbeitungsgerät aus einem Lasergenerator 601 zum Erzeugen von Femtosekunden-Laserimpulsen, einem aufspaltenden beugenden Element 602 zum Aufspalten des gepulsten Strahls des Lasergenerators 601 in eine Vielzahl von gepulsten Laserstrahlen und aus einem fokussierenden beugenden Element 611 zum Fokussieren der Vielzahl von gepulsten Laserstrahlen, die von dem aufspaltenden beugenden Element 602 aufgespalten wurden. In diesem Fall kann eine laterale Aberration durch angemessene Positionierung dieser beiden beugenden Elemente 602 und 611 entfernt werden.
Eine Position eines fokussierten Punkts m-ter Ordnung, der auf eine Oberfläche, die zu behandeln ist, einfällt, ist theoretisch nach der folgenden Gleichung (8) bestimmt:

y = [s (1 - L/f) -L)u (8)

wobei s die Entfernung von dem aufspaltenden Beugungselement 602 zu dem fokussierenden Beugungselement 611 angibt und L die Entfernung von dem fokussierenden beugenden Element 611 zu einer Oberfläche ist, die an einem Werkstück 604 zu behandeln ist. Weiterhin gibt f die Brennweite des fokussierenden Beugungselements 611 an und u gibt den Beugungswinkel an, welcher durch u = mλ/p gegeben ist. Hier gibt m die Ordnung der Beugung an, λ gibt die Wellenlänge des Pulses an, und p gibt die Periodenlänge des aufspaltenden Beugungselements 602 an.
Eine Abweichung Δy des Brennpunkts des gepulsten Strahls, der durch das aufspaltende Beugungselement 602 aufgespalten ist, kann bezüglich einer Änderung Δu des Beugungswinkels (bewirkt durch eine Änderung der Wellenlänge) durch Ableiten der Gleichung (8), wie nachfolgend in (9) angegeben, bestimmt werden.

Δy = [s(1 - 2L/f) - L] Δu (9)
Man beachte, dass zum Erhalt der Gleichung (9) die Beziehung Δu/u = Δλ/λ, welche für das aufspaltende Beugungselement 602 gilt, und die Beziehung Δλ/λ = -Δf/f, die für das fokussierende beugende Element 611 gilt, benutzt werden. Weiterhin ist, wenn das fokussierende Beugungselement 611 als Fresnellinse ausgebildet ist, die nur einen Term zweiter Ordnung mit einem Radius r hat und deren Aberrationskomponenten höherer Ordnung ignoriert werden, die Aberrationsfunktion der Fresnellinse durch die folgende Gleichung (10) gegeben.

Φ(r) = - πr²/(λf) (10)
Dementsprechend gilt zum Beispiel, wenn angenommen wird, dass λ = 800 nm und f = 100 mm, Φ(r) = - 39,27 r².
Wenn angenommen wird, dass die Brennebene der Vielzahl von aufgespaltenen gepulsten Strahlen an der Oberfläche des Werkstücks 604, die zu bearbeiten ist, zusammenfällt, dann ist die folgende Gleichung (11) durch Setzen von L = f in der Gleichung (9) ableitbar.

Δy = -(s + f) Δu (11)
Aus der obenstehenden Beziehung ergibt sich Δy = 0, wenn s = -f, unabhängig von der Veränderung Δu des Beugungswinkels. Das bedeutet, wenn die Entfernung des beugenden aufspaltenden Elements 602 vom beugenden Element 611 gleich der Brennweite von dem fokussierenden beugenden Element 611 zur zu behandelnden Oberfläche ist, kann die laterale Aberration, der die Vielzahl von gebeugten Strahlen ausgesetzt sind, korrigiert werden.
Ein optisches Layout des Beispiels 3, basierend auf der obengenannten Theorie, ist in Fig. 16 gezeigt. Der Bildpunkt, der durch das optische Layout verursacht wird, ist wie in der Graphik von Fig. 17 gezeigt.
In dem Laserbearbeitungsgerät tritt kein Problem auf, selbst wenn die Bedingung s = -f etwas variiert wird, solange dies innerhalb einer Toleranz liegt. Wie genau die Positionseinstellung sein muß, kann abgeleitet werden von der nötigten Größe des Bereichs, der zu bearbeiten ist und von einer benötigten Gleichmäßigkeit der Bearbeitung innerhalb dieses Bereichs. Man beachte, dass sich, wenn die Brennweite f des fokussierenden beugenden Elements 611 in dem optischen Layout, das in Fig. 16 gezeigt ist, auf 100 mm festgelegt wird, die durch das optische System bewirkte Positionsabweichung Δy eines fokussierten Punktes eines der Vielzahl von Strahlen (gepulste Strahlen der ersten, dritten und siebten Ordnung sind beispielhaft dargestellt), als Funktion des Abstands zwischen den beiden Beugungselementen 602 und 611 ergibt, wie in Fig. 18 dargestellt ist.
Der Femtosekundenlaser und die Daten der entsprechenden Beugungselemente, welche in dem Laserbearbeitungsgerät des Beispiels 3 benutzt sind, können wie nachfolgend dargestellt ausgestaltet sein. Man beachte, dass sie nur ein Beispiel darstellen.

a) Femtosekundenlaser: Er hat eine Pulsbreite von 100 fs, eine Pulsenergie von 1 mJ (Wiederholungsrate von 1 kHz), ein Mittenwellenlänge von 800 nm, eine Wellenlängenhalbwertsbreite von ±10 nm und einen Pulsdurchmesser von 6 mm;
b) Aufteilendes Beugungselement 602: Es hat 21 Teilstrahlen und Aufteilungsintervalle von 200 µm, und die 21 gepulsten Strahlen, die durch das Element aufgeteilt sind, sind so ausgestaltet, dass sie im wesentlichen dieselbe Intensität haben; und
c) Fokussierendes Beugungselement 611: Es hat eine Brennweite von 100 mm.

Die Beugungselemente 602 und 611 sind auf einem Substrat ausgebildet, das aus hochqualitativem geschmolzenem Silizium oder dergl. besteht und das zum Beispiel durch Laserbearbeitung oder Ionenätzung bearbeitet ist.
Wenn der Femtosekundenlaserstrahl aufgeteilt ist und mittels eines Bearbeitungsgeräts des Beispiels 3 fokussiert ist, dann wird die laterale Aberration mit dem optimalen Abstand der Elemente (s = -f) wie oben beschrieben korrigiert und die fokussierten Punkte, die durch das optische System gebildet werden, haben im wesentlichen die gleiche Form und Größe unabhängig von der Ordnung der Beugung, wie zum Beispiel in Fig. 19 gezeigt. Dementsprechend können, wenn ein Feld gleichmäßig aufgeteilter, fokussierter Punkte auf das Werkstück 604 gerichtet wird, Bearbeitungsspuren, die dieselbe Gestalt und Größe haben, auf dem Werkstück 604 erreicht werden.
Das Bearbeitungsgerät des Beispiels 3 hat weiterhin die folgenden Vorteile:

a) das System kann einfach eingestellt und gehandhabt werden, weil eine kleine Anzahl von Elementen, die leichtgewichtig sind, vorgesehen ist; und
b) weil das beugende optische Element in einer Platte ausgebildet ist, die eine Dicke von ungefähr 1 mm hat, ist die Länge des optischen Pfads in dem Glied, durch das die Pulse hindurchtreten, kurz genug, um die Wellenfront-Aberrationen, die durch die räumliche Intensitätsverteilung der Impulse verursacht sind, zu minimieren. Als Ergebnis werden Laserstrahlenpunkte erhalten, die eine gut fokussierte Gestalt haben, was wichtig ist, wenn der Femtosekundenimpulslaser für Mikrobearbeitungen verwendet wird.

Beispiel 4

Fig. 20 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Laserbearbeitungsgerätes eines vierten Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Gerät besteht aus einem Lasergenerator 601 zum Erzeugen von Laserimpulsen, einem strahlaufteilenden beugenden Element 602 zum Aufteilen der gepulsten Laserstrahlen von dem Lasergenerator 601 in eine Vielzahl von gepulsten Laserstrahlen und aus einem hybriden fokussierenden optischen System, das aus ersten und zweiten Brechungslinsen 612 und 613 besteht, von denen jede eine beugende Oberfläche hat. Die erste Brechungslinse 612 mit der beugenden Oberfläche besteht aus einer konvex-konkaven sphärischen Linse (positive Brechkraft) und ihre beugende Oberfläche (negative Brechkraft) ist auf der einfallsstrahlseitigen Oberfläche ausgebildet. Die zweite Brechungslinse 613 mit der beugenden Oberfläche besteht aus einer konkav-konvexen sphärischen Linse (negative Brechkraft) und ihre beugende Oberfläche (positive Brechkraft) ist auf der ausfallsstrahlseitigen Oberfläche ausgebildet.
Wenn der gepulste Strahl, der vom Lasergenerator 601 ausgestrahlt wurde, durch das strahlaufteilende beugende Element 602 aufgeteilt wird, hat eine längere Wellenlänge einen größeren Beugungswinkel, wodurch eine Impulskomponente, die eine längere Wellenlänge hat, weiter nach außen abgelenkt wird. Um diese wellenlängenabhängige Charakteristik zu kompensieren, ist es notwendig, das fokussierende optische System mit einer großen lateralen chromatischen Aberration Δβ zu versehen. Dies bedeutet, dass die Winkelvergrößerung des Systems entsprechend der folgenden Beziehung anzusetzen ist,

λf = konstant (12)
Hierbei ist λ die Wellenlänge und f ist die Brennweite. Ein Beugungswinkel u wird stark verändert durch eine kleine Änderung Δλ der Wellenlänge. Deshalb ist es notwendig, eine Wellenlängenänderung Δf der Brennweite für eine Wellenlängendifferenz Δλ so vorzusehen, dass sie laterale chromatische Aberrationen, die durch das aufteilende beugende Element entstehen, durch Einsetzen einer beugenden Oberfläche, die eine starke dispersive Kraft hat, korrigieren kann. Zur selben Zeit müssen die Laserstrahlen an derselben Position unabhängig von der Wellenlänge fokussiert werden. Wie oben beschrieben würde eine Anordnung, die nur aus Beugungslinsen besteht, eine große Anzahl von Oberflächen erfordern, weil eine ziemlich große Menge an dispersiver Kraft durch das fokussierende optische System bereit gestellt werden muß. Um dieses Problem zu überwinden, sollte jede der beteiligten Brechungslinsen mit einer beugenden Oberfläche versehen werden.
Die Brennweite f dieses fokussierenden optischen Systems ist in ihrer Auswirkung durch die folgende Beziehung (13) bestimmt.

1/f = 1/f1 + 1/f2 - d/(f1 f2) (13)

wobei f1 und f2 die Brennweiten der ersten und zweiten Brechungslinsen 612 und 612 mit den beugenden Oberflächen sind und durch die folgenden Gleichungen (14-1) und (14-2) bestimmt sind.

1/f1 = 1/f1r + 1/f1d (14-1)

1/f2 = 1/f2r + 1/f2d (14-2)

wobei f1r und f1d die Brennweite der Brechungslinse bzw. die Brennweite der beugenden Oberfläche der ersten Brechungslinse 612 mit der beugenden Oberfläche angeben, wohingegen f2r und f2d die Brennweite der Brechungslinse bzw. die Brennweite der beugenden Oberfläche der zweiten Brechungslinse 613 mit der beugenden Oberfläche angeben. Die Brennweitenunterschiede Δf1 und Δf2 der Brennweiten dieser Linsen entsprechend den Wellenlängenunterschieden Δλ sind durch die folgenden Gleichungen (15-1) und (15-2) gegeben.

Δf1 = f1²[(-Δn/(n - 1))/fr1 + (-Δλ/λ)/fd1] (15-1)

Δf2 = f2²[(-Δn/(n - 1))/fr2 + (-Δλ/λ)/fd2] (15-2)
Man beachte, dass die gesamte Brennweitendifferenz Δf durch die einzelnen Brennweitendifferenzen Δf1 und Δf2 wie oben beschrieben bestimmt ist. Weiterhin sind Δf1 und Δf2 von dem Design der Brechungslinsen und der beugenden Oberflächen, die darauf ausgebildet sind, bestimmt.
Um die Entfernung d zwischen der ersten Brechungslinse 612 mit der beugenden Oberfläche und der zweiten Brechungslinse 613 mit der Beugungsoberfläche zu verkleinern, ist eine große dispersive Kraft erforderlich, die sich in einer starken Brennkraft der beiden Linsen auswirkt. Eine Vergrößerung der Entfernung d macht es möglich, die dispersive Kraft der Linsen zu verringern und dadurch die Brennkraft der beiden Linsen zu verkleinern. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Entfernung d so groß wie praktisch möglich einzustellen, so dass die ihre Eigenschaften bestimmende Größe der beugenden Oberflächen grob genug werden kann, um leicht produziert werden zu können.
Fig. 21 zeigt ein optisches Layout eines Laserbearbeitungsgeräts des vierten Beispiels. Die ersten und zweiten Brechungslinsen 612 und 613 mit den beugenden Oberflächen, die in dem optischen Layout benutzt sind, haben die folgenden Daten. Man beachte, dass die Daten nur ein Beispiel zeigen.
Die erste Brechungslinse 612 mit der beugenden Oberfläche hat eine Einfallsoberfläche (beugende Oberfläche) mit einem Krümmungsradius von 7,74E - 02 und eine Ausfallsoberfläche mit einem Krümmungsradius von 3,02E - 02 und eine Dicke von 3,00E + 00. Die zweite Brechungslinse 613 mit der beugenden Oberfläche hat eine Einfallsoberfläche (beugende Oberfläche) mit einem Krümmungsradius von -9,86E - 02, eine Ausfallsoberfläche (beugende Oberfläche) mit einem Krümmungsradius von -5,43E - 02 und eine Dicke von 2,00E + 00. Weiterhin haben die erste und die zweite Brechungslinse 612 und 613 mit den beugenden Oberflächen einen Durchmesser von 8,00E + 00 und einen dazwischenliegenden Zwischenraum von 2,00E + 01.
Weiterhin hat die beugende Oberfläche der ersten Brechungslinse 612 einen Koeffizienten r² von +142,025716 sowie einen Koeffizienten r⁴ von +0,241539 und deshalb eine negative Brechkraft. Die beugende Oberfläche der zweiten Brechungslinse 613 hat einen Koeffizienten r² von -144,941195 sowie einen Koeffizienten r⁴ von -0,165726 und deshalb eine positive Brechkraft. Diese ersten und zweiten Brechungslinsen 612 und 613 mit den beugenden Oberflächen sind auf einem Glasmaterial hoher Qualität durch einen Hochpräzisionsdiamanten-Schneidevorgang ausgebildet.
Weiterhin haben der Femtosekundenlaser und das aufteilende beugende Element 602, welche in dem Gerät des vierten Beispiels benutzt sind, dieselben Spezifikationen, wie diejenigen, welche im dritten Beispiel benutzt wurden.
Wenn der Femtosekunden-Laserstrahl aufgeteilt wird und unter Benutzung des Bearbeitungsgerätes des Beispiels 4 fokussiert wird, dann werden laterale und longitudinale Aberrationen korrigiert und die fokussierten Punkte, die durch ein optisches System des Geräts gebildet werden, haben im wesentlichen dieselbe Form und Größe unabhängig von der Ordnung der Beugung, wie zum Beispiel in Fig. 19 gezeigt. Fig. 22 zeigt ein Punktbild, das durch das optische Layout gebildet wird. Wenn das Feld der gleichmäßig aufgeteilten, fokussierten Punkte auf ein Werkstück 604 gerichtet wird, dann können Bearbeitungsspuren erreicht werden, die dieselbe Form und Größe haben. Wenn das Bearbeitungsgerät des Beispiels 4 benutzt wird, dann wird die Größe der Bearbeitungsspuren, verglichen mit dem Fall, in dem das Bearbeitungsgerät des Beispiels 3 benutzt wird, verkleinert, zumindest durch die Korrektur der longitudinalen chromatischen Aberrationen.

Beispiel 5

Fig. 23 ist eine Ansicht einer Anordnung eines Laserbearbeitungsgerätes eines fünften Beispiels der vorliegenden Erfindung. Das Gerät besteht aus einem Lasergenerator 601 zum Erzeugen vom Femtosekundenlaserimpulsen, einem aufspaltenden beugenden Element 602 zum Aufspalten des gepulsten Laserstrahls von dem Lasergenerator 601 in eine Vielzahl gepulster Laserstrahlen und einem hybriden fokussierenden optischen System, das aus einer ersten beugenden Oberfläche 614, einer ersten Brechungslinse 615, einer zweiten Brechungslinse 616 und einer zweiten beugenden Oberfläche 617 besteht. Das Beispiel 5 unterscheidet sich von Beispiel 4 dahingehend, dass die beugenden Oberflächen von den Brechungslinsen getrennt sind und auf planparallelen Platten (flat sheets) ausgebildet sind. Die fokussierenden Charakteristiken und Auswirkungen sind im wesentlichen gleich denen des Beispiels 4 und können selbst dann erreicht werden, wenn Beispiel 5 wie oben beschrieben angeordnet ist.
In diesem hybriden fokussierenden optischen System ist die erste beugende Oberfläche 614 (die negative Brechkraft hat) auf einer der planparallelen Platten auf deren Ausgangs-Oberfläche ausgeformt. Die erste Brechungslinse 615 besteht aus einer doppel-konvexen Linse, die keine beugende Oberfläche aufweist. Die zweite Brechungslinse 616 besteht aus einer doppel-konkaven Linse, die keine beugende Oberfläche aufweist. Die zweite beugende Oberfläche 617 (die positive Brechkraft hat) ist auf der ausgangsseitigen Oberfläche der anderen der planparallelen Platten ausgebildet.
Fig. 24 zeigt das optische Layout des Laserbearbeitungsgeräts des fünften Beispiels. Die erste und die zweite beugenden Oberflächen 614 und 617 (die auf dem ersten bzw. dem zweiten beugenden Element ausgebildet sind) und die erste und zweite Brechungslinsen 615 und 616 haben Daten, die unten beschrieben sind. Man beachte, dass die Daten nur ein Beispiel zeigen.
Das Element mit der ersten beugenden Oberfläche 614 hat eine Dicke von 1,2 mm und einen Zwischenraum zwischen ihm und der ersten brechenden Linse 615, der auf 1 mm eingestellt ist; die erste Brechungslinse 615 hat eine Dicke von 3 mm, eine Einfallsfläche mit einem Krümmungsradius von +0,020342932, eine Ausfallsfläche mit einem Krümmungsradius von -0,032665854 und einen Zwischenraum zwischen ihr und der zweiten Brechungslinse 616, der auf 20 mm eingestellt ist; die zweite Brechungslinse 616 hat eine Dicke von 2 mm, eine Einfallsfläche mit einem Krümmungsradius von -0,020098118, eine Ausfallsoberfläche mit einem Krümmungsradius von +0,02528779 und einen Zwischenraum zwischen ihr und dem Element mit der zweiten beugenden Oberfläche 617, der auf 1 mm eingestellt ist; das Element mit der zweiten beugenden Oberfläche 617 hat eine Dicke von 1,2 mm und jedes der beugenden Elemente mit den Oberflächen 614 und 617 und der ersten und zweiten Beugungslinsen 615 und 616 hat einen Durchmesser von 6 mm.
Die erste beugende Oberfläche 614 hat einen Koeffizienten r² von +152,19799, einen Koeffizienten r⁴ von +0,093056, einen Koeffizienten r⁶ von +5,156849E - 05, einen Koeffizienten r⁸ von +3,139228E - 06 und deshalb negative Brechkraft. Die zweite beugende Oberfläche 617 hat einen Koeffizienten r⁶ von -153,011565, einen Koeffizienten r⁴ von -0,062412, einen Koeffizienten r⁵ von -4,54194E - 05, einen Koeffizienten r⁸ von -9,56396E - 07 und deshalb positive Brechkraft.
Diese erste und zweite beugende Oberfläche 614 und 617 sind auf einem Substrat ausgeformt, das aus hochqualitativem geschmolzenem Silizium besteht und mit Laserbearbeitung oder Ionenätzen oder dergleichen behandelt ist. Weiterhin sind die ersten und zweiten Brechungslinsen 615 und 616 auf einem Glasmaterial hoher Qualität durch einen Hochpräzisionsdiamant-Schneideprozess ausgebildet.
Weiterhin haben der Femtosekundenlaser und das strahlaufteilende beugende Element 602, die im Gerät des fünften Beispiels verwendet sind, dieselben jeweiligen Spezifikationen wie diejenigen, die im dritten Beispiel benutzt worden sind.
Wenn der Femtosekundenlaserstrahl unter Benutzung des Bearbeitungsgeräts des Beispiels 5 aufgeteilt und fokussiert wird, werden laterale und longitudinale chromatische Aberrationen ähnlich dem Beispiel 4 korrigiert, und die fokussierten Punkte, die durch das optische System gebildet werden, haben im wesentlichen dieselbe Form und Größe, unabhängig von der Zahl und Ordnung der Beugung, wie zum Beispiel in Fig. 19 gezeigt. Fig. 25 zeigt ein Punktbild, das durch das optische Layout gebildet wird. Wenn das Feld der gleichmäßig aufgeteilten fokussierten Punkte auf ein Werkstück 604 gerichtet wird, dann können darauf Bearbeitungsspuren erreicht werden, die dieselbe Größe haben.
Insbesondere können die Laserbearbeitungsgeräte der Beispiele 4 und 5 chromatische Aberrationen im Detail besser korrigieren als das des Beispiels 3, weil die Beugungseigenschaften der brechenden Elemente und die der beugenden Elemente kombiniert werden, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht werden kann und die wirksame Bearbeitungsfläche vergrößert werden kann.
Die Ausführungsform 2 kann anstelle eines eindimensionalen Feldes gepulster Laserstrahlen auch ein zweidimensionales Feld gepulster Laserstrahlen zur Bearbeitung von Materialien verwenden.
Während in den Ausführungsformen 1 und 2 die Bearbeitung unter Verwendung eines einzelnen Strahls bzw. einer Vielzahl von aufgeteilten Strahlen beschrieben wurde, kann die räumliche Intensitätsverteilung von Pulsen, die vom Lasergenerator erzeugt wurde, bei der Bearbeitung in eine gewünschte Gestalt gebracht werden. In diesem Fall kann die räumliche Pulsintensitätsverteilung wie gewünscht durch ein beugendes Element geformt werden. Das besagte beugende Element kann als beugendes Element zum Formen der Pulsintensitätsverteilung vorgesehen sein oder die strahlaufteilende Funktion und die formgestaltende Funktion können beide durch ein einzelnes beugendes Element ausgeführt werden, indem eine Phasenfunktion zur Pulsformung zu dem beugenden Element, das in den Beispielen 3 bis 5 verwendet wird, hinzugefügt wird.
Während eine Reihe von Typen geformter Pulse möglich sind, können beispielsweise eine ringartige Impulsform wie in Fig. 26(a) gezeigt und eine kreisscheibenförmige Impulsform wie in Fig. 26(b) gezeigt, als Beispiel angegeben werden. Eine Materialbearbeitung kann genau und wirkungsvoll ohne Verschmutzung und Beschädigung durch Laserbearbeitung eines Werkstückes mit geformten Impulsen erfolgen.

Ausführungsform 3

(Fräsbearbeitung unter Verwendung eines einzelnen Strahls oder einer Vielzahl von aufgeteilten Strahlen)

Eine Ausführungsform 3 bezieht sich auf Fräsbearbeitung mit einem Laser. Die konventionelle Fräsbearbeitung, die einen Laser benutzt, wird durchgeführt, indem ein fokussierter Laserpunkt unter Verwendung eines Spiegelgalvanometers oder dergleichen bewegt wird. Es ist jedoch sehr schwierig, das Positionieren des Strahls mit dem Spiegelgalvanometer genau auszuführen, wegen dessen komplexen Positionierungsmechanismus. Um mit diesem Problem fertig zu werden, haben die Erfinder eine Anordnung zum Bewegen des fokussierten Laserpunktes unter Verwendung eines Beugungsgitters statt des Spiegelgalvanometers entwickelt.

Beispiel 6

Fig. 27 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Laserbearbeitungsgerätes zeigt, das zur Fräsbearbeitung verwendet wird, und Fig. 28 zeigt eine Ansicht, die einen Hauptteil des Gerätes erklärt. In Fig. 27 bezeichnet Bezugszeichen 701 einen Lasergenerator, der einen kontinuierlich schwingenden Laserstrahl erzeugt, zum Beispiel einen YAG Laser oder dergleichen, einen gepulsten Laserstrahl einer relativ langen Pulsbreite oder ultrakurze Pulse von 10^-12 Sekunden oder weniger wie zum Beispiel Femtosekundenimpulse, welche alle zur Fräsbearbeitung benutzt werden können. Bezugszeichen 702 bezeichnet einen total reflektierenden Spiegel, der im Strahlengang des Laserstrahls 703, der vom Lasergenerator 701 ausgeht, angeordnet ist, um den Laserstrahl 703 auf ein Werkstück 708 zu reflektieren, und Bezugszeichen 704 bezeichnet einen Strahlaufweiter zum Aufweiten der Breite des Laserstrahls 703, der durch den total reflektierenden Spiegel 702 reflektiert wurde.
Bezugszeichen 705 bezeichnet ein beugendes Element zum Beugen des Laserstrahls 703, der aus dem Strahlaufweiter 704 austritt. Das beugende Element 705 hat in seinem Zentrum eine Rotationsachse 705a, die mit der optischen Achse Z des Laserstrahls 703 vom Strahlaufweiter 704 ausgerichtet, und das beugende Element 705 dreht sich um die Rotationsachse 705a, wobei als Antrieb eine Rotationseinheit wie ein Motor 706 oder dergleichen verwendet wird. Bezugszeichen 707 bezeichnet eine Brechungslinse, die als fokussierendes optisches System zwischen dem beugenden Element 705 und dem Werkstück 708 wirkt, zum Fokussieren des Laserstrahls 703, der durch das beugende Element 705 gebeugt ist, damit er auf das Werkstück 708 trifft.
Wenn der Fräsvorgang am Werkstück 708 unter Verwendung des Laserbearbeitungsgeräts wie oben angegeben durchgeführt wird, dann geht der Laserstrahl 703 vom Lasergenerator 701 aus, wird am total reflektierenden Spiegel 702 reflektiert und fällt auf das beugende Element 705 ein, nachdem der Laserstrahl 703 durch den Strahlaufweiter 704 aufgeweitet wurde. Dabei ist die optische Achse des Laserstrahls 703, der auf das beugende Element 705 einfällt, mit der Rotationsachse 705a des beugenden Elements 705 ausgerichtet, wie in den Fig. 28 und 32 gezeigt. Dann wird der Laserstrahl 703, der auf das beugende Element 705 einfällt, durch die Reliefmuster, die auf der Oberfläche des beugenden Elements 705 ausgebildet sind, um einen Beugungswinkel u gebeugt, durch die Brechungslinse 707 fokussiert und auf das Werkstück 708 projiziert, so dass in diesem Löcher gebohrt werden. Wie in Fig. 33(a) gezeigt, ist der fokussierte Punkt T des gebeugten Laserstrahls 703 an einem Punkt des Kreisumfanges eines Loches, das im Werkstück 708 auszubilden ist, angeordnet. Dann tastet der fokussierte Punkt T durch Rotieren des beugenden Elements 705 unter Benutzung des Motors 706 den Kreisumfangs des Lochs ab (in Fig. 33(a) als Strahlabtastungskurve bezeichnet), wobei das Loch im Werkstück 708 geformt wird.
Wie in den Fig. 28 und 33(a) gezeigt, hat der Kreis, entlang dem sich der fokussierte Punkt T bewegt, einen Radius h. Wenn der Fräsvorgang mit dem Radius h durchgeführt wird, ist der Radius R des Lochs, das auszubilden ist, durch den folgenden Ausdruck (16) bestimmt.

R = h + w/2 (16)

wobei w den Durchmesser des fokussierten Punkts T angibt.
Dementsprechend variiert die Lochgröße des Loches, das ausgebildet werden soll, durch Einstellung des Radius h des Kreises, entlang dem sich der fokussierte Punkt T bewegt, in anderen Worten durch Einstellung der Brennpunktposition h des gebeugten Strahls.
Die Position des fokussierten Punktes T auf der Werkstückoberfläche 708a des Werkstücks 708 ist durch die folgende Formel (17) bestimmt.

h = -fu (17)

wobei h die Position des fokussierten Punktes angibt, f die Brennweite der Brechungslinse 707 und u einen Beugungswinkel. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Position des fokussierten Punktes T in Abhängigkeit von der Krümmung der Wellenfront des Laserstrahls beeinflußt wird. Dies bedeutet, dass die Position des fokussierten Punktes T in eine Position vor dem Werkstücks 708 oder in entgegengesetzte Richtung hinter die Werkstückoberfläche 708 verschoben wird. Wenn der Krümmungsradius der Wellenfront durch a gegeben ist, dann ist eine fokussierte Position h1 durch die folgende Gleichung (18) bestimmt.

h1 = -fu/(1 - f/a) (18)
Aus der Gleichung (18) ergibt sich, dass die Position des fokussierten Punktes T durch Einstellung des Krümmungsradius a eingestellt werden kann und dass so der Lochdurchmesser entsprechend einstellbar ist.
Mit der obengenannten Anordnung kann ein Laserbearbeitungsgerät zum Durchführen eines Fräsprozesses einfacher aufgebaut sein als ein vergleichbares konventionelles Gerät und darüber hinaus kann der Fräsprozess sehr genau durch einen einfachen Strahlpositionierungsmechanismus eingestellt werden.

Beispiel 7

Fig. 29 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteiles eines anderen Laserbearbeitungsgerätes erklärt, das zur Fräsbearbeitung verwendet wird. Das Beispiel 7 unterscheidet sich vom Beispiel 6 dahingehend, dass die optische Achse 2 des Laserstrahls 703 vom Strahlaufweiter 704 nicht mit der Rotationsachse 705a des beugenden Elements 705 ausgerichtet ist und dass sich der fokussierte Punkt T um die Rotationsachse 705a des beugenden Elements 705 bewegt, während sich das beugende Element 705 um die Rotationsachse dreht, wie in Fig. 29 und 32(b) gezeigt. Mit dieser Anordnung sind beinahe dieselben Zusammenhänge und Wirkungen wie diejenigen des Beispiels 6 erreichbar. Weiterhin kann die Position des fokussierten Punktes T durch Einstellung des Krümmungsradius entsprechend dem Ausdrucks (18) so eingestellt werden, dass ein gewünschter Lochdurchmesser erreicht wird, wodurch der Fräsprozess sehr genau und einfach durchgeführt werden kann.

Beispiel 8

Fig. 30 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils von noch einem anderen Laserbearbeitungsgerät, das in einem Fräsprozess verwendet wird, erklärt. Das Beispiel 8 ist gegenüber Beispiel 6 insofern anders, als das beugende Element 705 zwischen der Brechungslinse 707 und dem Werkstück 708 angeordnet ist, so dass die Position, an der das beugende Element 705 angeordnet ist, im Hinblick auf das Werkstück 708 einstellbar ist.
Bei dieser Anordnung kann die Brennpunktsposition h2 verändert werden, indem die Entfernung zwischen dem beugenden Element 705 und dem Werkstück 708 eingestellt wird. Dies bedeutet, dass die Brennpunktposition h2 durch die folgende Gleichung (19) bestimmt werden kann:

h2 = -du (19)

wobei d die Entfernung zwischen dem beugenden Element 705 und dem fokussierten Punkt angibt.
Entsprechend der Beziehung (19) kann die Brennpunktposition h2 von der optischen Achse weiter entfernt werden, indem die Entfernung d vergrößert wird, wohingegen die Brennpunktposition h2 durch Reduzierung der Entfernung d näher zur optischen Achse hin verschoben werden kann.
Dementsprechend kann der fokussierte Punkt T exakt an einer gewünschten Position positioniert werden, indem die Entfernung zwischen dem beugenden Element 705 und dem Werkstück 708 eingestellt wird, wodurch der Fräsprozess mit einer noch größeren Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Beispiel 9

Fig. 31 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils eines weiteren Laserbearbeitungsgerätes zeigt, das im Fräsprozess verwendet wird. Im Beispiel 9 wird ein beugendes Element 705A, das sowohl eine strahlablenkende Funktion als auch eine strahlaufteilende Funktion hat, anstelle des beugenden Elements 705 verwendet, welches nur strahlablenkende Funktion hat, und ein einzelner Laserstrahl, der vom Lasergenerator 701 erzeugt wird, wird durch das beugende Element 705A gebeugt und aufgespalten, so dass eine Vielzahl von Laserstrahlen 703 erzeugt wird. Somit trifft eine Vielzahl fokussierter Punkte, die durch Fokussieren der Vielzahl von aufgespaltenen Laserstrahlen mit der Brechungslinse 707 erzeugt wurden, auf das Werkstück 708 auf.
Die Anzahl von Laserstrahlen 703, die auf das zu fräsende Werkstück 708 auftreffen, kann je nach Wahl der Anzahl und der Beugungsordnungen durch das beugende Element 705A eins oder mehr sein.
Verschiedene Beispiele des Laserstrahls 703 sind in den Fig. 33(a) bis 33(d) gezeigt. Die Fig. 33(a) bis 33(c) zeigen Beispiele, in denen einer, zwei und vier fokussierte Bildpunkte T auf dem Kreisumfang (Strahlabtastort) eines Loches geformt werden. Mit einem Ansteigen der Anzahl von Laserstrahlen 703, die auf das Werkstück 708 auftreffen, wird die tatsächliche Bearbeitungsgeschwindigkeit um das zwei- oder vierfache vergrößert. Weiterhin zeigt Fig. 33(d) das Feld der fokussierten Bildpunkte T, welches es erlaubt, die Bearbeitung gleichzeitig sowohl entlang des Kreisumfangs des Loches als auch am Lochzentrum durchzuführen, indem dem Laserstrahl nullter Ordnung etwas Lichtenergie zugeführt wird. Diese Anordnung verbessert die Bearbeitungsgeschwindigkeit noch weiter.
Weiterhin können zusätzlich zu den obengenannten Beispielen weitere Beispiele des Layouts der fokussierten Punkte angegeben werden, welche Leicht durch Auswahl der Beugungsordnungen verwirklicht werden können.
Zum Beispiel zeigt Fig. 34(a) ein modifiziertes Beispiel des Laserbearbeitungsgerätes, das in Fig. 31 gezeigt ist, welches ein strahlaufteilendes beugendes Element 705A zum Erzeugen einer Vielzahl aufgespaltener Laserstrahlen 703 und ein zweites beugendes Element 705D umfaßt, das zwischen dem beugenden Element 705A und einer Brechungslinse 707 zum Beugen jedes der Vielzahl von Laserstrahlen 703, welche durch das beugende Element 705A aufgeteilt wurden, angeordnet ist, wobei Beugungsmuster, die zur Bearbeitung des Werkstück an einer Vielzahl von Punkten benötigt werden, erzeugt werden.
Hier sind die fokussierten Punkte an den entsprechenden Kreisumfängen von einer Vielzahl von Löchern angeordnet, die aufgrund der Beugungsmuster, die durch das zweite beugende Element 705B erzeugt wurden, gebildet werden. Weil das strahlaufteilende beugende Element 705A ruht, weil sich das zweite beugende Element um seine Achse dreht, und wegen der Drehung der Beugungsmuster kann die Vielzahl von Löchern gleichzeitig gebildet werden. Mit dieser Anordnung können verschiedene Positionen auf einem Werkstück gleichzeitig einem Fräsprozess unterzogen werden.
Fig. 34(b) zeigt das Laserbearbeitungsgerät der Fig. 34(a), welches mit dem dritten beugenden Element 705C anstatt der Brechungslinse 707 ausgestattet ist, wodurch dlie Vielzahl von Laserstrahlen 703, die vom zweiten beugenden Element 705B ausgehen, fokussiert werden, um ebenso viele fokussierte Laserstrahlpunkte auf dem Werkstück 708 zu erzeugen. In diesem Fall ruhen das strahlaufteilende beugende Element 705A und das dritte beugende Element 705C, während sich das zweite beugende Element 705B dreht. Dieselben Effekte wie die des Laserbearbeitungsgeräts, welches in Fig. 34(a) gezeigt ist, können auch durch diese Anordnung erreicht werden.

Beispiel 10

Fig. 35 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils eines weiteren Laserbearbeitungsgerätes zeigt, das zur Fräsbearbeitung verwendet wird. Bei dieser Anordnung ist ein beugendes Element 709 zum Beugen und Fokussieren des Laserstrahls 703 vorgesehen, anstatt des beugenden Elements 705 und der Brechungslinse 707 des Beispiels 6. Das beugende Element 709 hat eine derartige Phasenstruktur, dass es sowohl eine strahlfokussierende Wirkung als auch strahlauffächernde Wirkung hat. Weiterhin ist die Rotationsachse 709a des beugenden Elements 709 mit der optischen Achse Z des Laserstrahls 703 ausgerichtet. In dieser Anordnung entsteht eine unnötige Aberration des fokussierten Punkts T und dessen Gestalt ist verformt, wenn die Rotationsachse 709a des beugenden Elements 709 von der optischen Achse Z des Laserstrahls 703 abweicht. Es ist deshalb wünschenswert, dass die Rotationsachse 709a des beugenden Elements 709 mit der optischen Achse Z des Laserstrahls 703 übereinstimmt.
Wenn auf dem Werkstück 708 der Fräsprozess unter Verwendung des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 10 ausgeführt wird, dann wird der Laserstrahl 703, der vom Lasergenerator 701 erzeugt wurde, durch den total reflektierenden Spiegel 202 reflektiert, und es wird bewirkt, dass er auf das beugende Element 709 trifft, nachdem die Breite des Laserstrahls 703 durch den Strahlaufweiter 704 ähnlich dem Beispiel 6 aufgeweitet wurde. Dann wird der Laserstrahl 703, der auf das beugende Element 709 auftrifft, um einen Beugungswinkel u gebeugt und fokussiert und dann auf das Werkstück 708 an der Position eines auszuformenden Loches projiziert. Der fokussierte Punkt T des auftreffenden Laserstrahls 703 ist auf dem Kreisumfang des Loches auf dem Werkstück 708 angeordnet. Dann wird der fokussierte Punkt T entlang dem Kreisumfang des Loches durch Rotieren des beugenden Elements 709 mit dem Motor 706 bewegt, wodurch das Loch im Werkstück 708 ausgeformt wird.
Wie oben beschrieben, kann das Laserbearbeitungsgerät einfacher ausgestaltet werden, indem die beugende Wirkung und die brechende Wirkung durch ein einzelnes beugendes Element 709 bewirkt werden, was das Gerät leicht einstellbar und handhabbar werden läßt.
Man beachte, dass es auch möglich ist, eine Vielzahl von Laserstrahlen in derselben Weise wie im Beispiel 9 auf das Werkstück 708 zu richten und die Bearbeitungsgeschwindigkeit durch Formgestaltung der fokussierten Punkte des Laserstrahls 703 zu erhöhen.
Wie weiter oben erklärt, können die aufgespaltenen Laserstrahlen wegen chromatischer Aberrationen, die wegen der großen Wellenlängen-Bandbreite des Lasers auftreten, kaum fokussiert werden, wenn ultrakurze Laserimpulse wie zum Beispiel Femtosekundenlaserimpulse mit einem beugenden Element aufgespalten werden. Um dieses Problem zu überwinden, kann in Fällen, in denen ultrakurze Laserimpulse in Fräsprozessen der Beispiele 6 bis 10 verwendet werden, die Bearbeitungsgenauigkeit mit Laserstrahlen eingehalten werden, die gut fokussiert sind, weil chromatische Aberration oder chromatische Aberration und Pulsverbreiterung korrigiert werden, indem das fokussierende optische System des Beispiels 1 oder 2, das in der Ausführungsform 1 erklärt wurde, als das fokussierende optische System der Beispiele 6 bis 10 verwendet wird.

Beispiel 11

Fig. 36 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils eines weiteren Laserbearbeitungsgerätes zeigt, das zum Laserfräsen unter Verwendung eines ultrakurzen Pulslasers verwendet wird. Im Beispiel 11 wird die Brechungslinse 707 des Beispiels 6 durch ein fokussierendes beugendes Element 710 ersetzt. Entsprechend dem Beispiel 11 kann die laterale chromatische Aberration des fokussierten Punktes T, der auf das Werkstück 708 fällt, durch Einstellung der Anordnung der beiden beugenden und fokussierenden Elemente 705 und 710 korrigiert werden. Obwohl der Fall, in dem die Rotationsachse 705a des ersten beugenden Elements 705 mit der optischen Achse Z des Laserstrahls 703 ausgerichtet ist, hier gezeigt ist, kann die Rotationsachse 705a von der optischen Achse Z abweichen.
Wenn die beiden beugenden Elemente 705 und 710 entsprechend der Theorie, die im Beispiel 3 der Ausführungsform 2 erklärt wurde, so angeordnet werden, dass die Entfernung des strahlablenkenden beugenden Elements 705 von dem fokussierenden Beugungselement 710 gleich groß eingestellt ist wie die Entfernung von dem fokussierenden beugenden Element 710 zur Oberfläche 708a des Werkstücks, das zu bearbeiten ist, dann kann die laterale chromatische Aberration, der die gebeugten Femtosekundenlaserstrahlen ausgesetzt sind, korrigiert werden. Tatsächlich entsteht kein Problem, selbst wenn die oben genannte Bedingung nicht perfekt eingehalten wird. Wie genau die Positionseinstellung ausgeführt sein muß, kann abgeleitet werden von der notwendigen Größe der Bearbeitungsfläche und der notwendigen Gleichmäßigkeit der Bearbeitungsqualität in dieser Fläche.
Die laterale Aberration kann korrigiert werden, indem das beugende Element 705 zum Ablenken des Strahls und das beugende Element 710 zum Fokussieren des Strahls unter der obengenannten Bedingung des optimalen Elementenabstands angeordnet werden, wodurch ein kreisförmig fokussierter Punkt T einer Vielzahl von fokussierten kreisförmigen Punkten T, die eine einheitliche Größe haben, selbst wenn der Femtosekundenimpulslaser verwendet wird, wodurch ein sehr genauer Fräsprozess ausgeführt werden kann.
Obwohl hier der Fall, in dem ein Werkstück 708 mit dem einzelnen Laserstrahl bearbeitet wird, erklärt wurde, kann der Laserstrahl 703 unter Verwendung des beugenden Elements 705 aufgespalten werden, um eine Vielzahl von Laserstrahlen 703 zu erzeugen, die auf das Werkstück einfallen, um es zu bearbeiten.

Beispiel 12

Fig. 37(a) ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteiles eines anderen Laserbearbeitungsgerätes zeigt, das in einem Fräsprozess verwendet wird, der einen ultrakurzen Impulslaser verwendet. Im Beispiel 12 ist die Funktion der Brechungslinse 707 des Beispiels 6 durch ein hybrides fokussierendes optisches System 711 ersetzt, das aus einer ersten Brechungslinse 711A mit einer beugenden Oberfläche und einer zweiten Brechungslinse 711B mit einer beugenden Oberfläche besteht, die in Fig. 37(b) gezeigt sind.
Im hybriden fokussierenden optischen System 711 besteht die erste Brechungslinse 711A mit der beugenden Oberfläche aus einer konvex-konkaven sphärischen Linse (positiver Brechkraft) und hat die beugende Oberfläche (negativer Brechkraft) auf ihrer vorderseitigen Oberfläche ausgebildet. Die zweite Brechungslinse 711B mit der beugenden Oberfläche besteht aus einer konkav-konvexen sphärischen Linse (negativer Brechkraft) und hat die beugende Oberfläche (positiver Brechkraft) auf ihrer Rückseite ausgebildet. Die lateralen und longitudinalen Aberrationen des fokussierten Punktes T des Laserstrahls 703, der auf das Werkstück 708 fällt, werden durch Optimierung der dispersiven Beziehung zwischen einer Vielzahl von beugenden Oberflächen und einer Vielzahl von brechenden Oberflächen des hybriden fokussierenden optischen System 711 korrigiert. Diese erste und zweite Brechungslinse mit der beugenden Oberfläche sind auf einem Glasmaterial hoher Qualität durch einen Hochpräzisions-Schneidevorgang ausgebildet. Obwohl der Fall dargestellt wurde, in dem die Rotationsachse 705a des beugenden Elements 705 mit der optischen Achse Z des Laserstrahls 703 ausgerichtet ist, kann die Rotationsachse 705a von der optischen Achse Z abweichen.
Wenn der Fräsprozess am Werkstück 708 unter Benutzung des Laserbearbeitungsgeräts des Beispiels 12 ausgeführt wird, dann wird der Femtosekundenpulslaserstrahl 703, der vom Lasergenerator 701 erzeugt wird, durch den total reflektierenden Spiegel 702 reflektiert und fällt auf das beugende Element 705, nachdem die Breite des Laserstrahls 703 durch den Strahlaufweiter 704 ähnlich dem Beispiel 6 verbreitert wurde. Dann wird der Femtosekundenimpulslaserstrahl 703, der auf das beugende Element 705 fällt, um den Beugungswinkel u gebeugt.
Längere Wellenlängen des gebeugten Femtosekundenpulslaserstrahls 703 haben einen größeren Beugungswinkel u, wodurch diese Wellenlängenkomponenten des Femtosekundenpulslaserstrahls 703 nach außen wandern und somit longitudinale und laterale Aberrationen verursachen. Um diese Aberrationen zu korrigieren, ist es notwendig, das hybride fokussierende optische System 711 mit einer großen lateralen Aberration zu versehen. Dies bedeutet, dass die Systemvergrößerung für längere Wellenlängen verkleinert werden muß. Die folgende Beziehung wird zwischen der Wellenlänge λ und der Brennweite f bei der Wellenlänge benötigt.

λf = konstant (20)
Der Beugungswinkel u wird stark verändert, sogar bei einer kleinen Veränderung Δλ der Wellenlänge. Deshalb ist es notwendig, eine Veränderung Δf der Brennweite bei einer gegebenen Wellenlängendifferenz so einzustellen, dass longitudinale und laterale chromatische Aberrationen, denen die aufgespaltenen Laserstrahlen 705 ausgesetzt werden, korrigiert werden können, indem eine beugende Oberfläche verwendet wird, die eine große Dispersionskraft hat. Unterdessen muß der aufgespaltene Laserstrahl unabhängig von der Wellenlänge auf denselben Punkt fokussiert werden. Wie oben beschrieben, benötigt eine Anordnung, die nur Brechungslinsen verwendet, viele Oberflächen, weil eine ziemlich große Menge dispersiver Kraft durch das hybride fokussierende optische System 711 erzeugt werden muß. Um dieses Problem zu überwinden, ist jede der Brechungslinsen mit einer beugenden Oberfläche ausgestattet.
Die Brennweite f dieses fokussierenden optischen Systems ist in seiner Wirkung durch die folgende Gleichung (21) bestimmt.

1/f = 1/f1 + 1/f2 - d/(f1 f2) (21)

wobei f1 und f2 die Brennweiten der ersten bzw. der zweiten Brechungslinsen 711A und 711B mit den beugenden Oberflächen angeben und durch die folgenden Gleichungen (22-1) und (22-2) bestimmt sind.

1/f1 = 1/f1r + 1/f1d (22-1)

1/f2 = 1/f2r + 1/f2d (22-2)

wobei f1r und f1d die Brennweite der Brechungslinse bzw. die Brennweite der beugenden Oberfläche der ersten Brechungslinse 711A mit der beugenden Oberfläche angeben und f2r und f2d die Brennweite der Brechungslinse bzw. die Brennweite der beugenden Oberfläche der zweiten Brechungslinse 711 B mit der beugenden Oberfläche. Die Unterschiede Δf1 und Δf2 der Brennweiten dieser Linsen sind durch die folgenden Gleichungen (23-1) und (23-2) bestimmt.

Δf1 = f1²[(-Δn/n/(n - 1))/fr1 + (-Δλ/λ)/fd1] (23-1)

Δf2 = f2²[(-Δn/(n - 1))/fr2 + (-Δλ/λ)/fd2] (23-1)
Man beachte, dass die resultierende Δf durch die oben beschriebenen Δf1 und Δf2 bestimmt ist. Weiterhin sind Δf1 und Δf2 durch das Design der Brechungslinsen und der beugenden Oberflächen, die darauf ausgebildet sind, bestimmt.
Eine Verkleinerung der Entfernung der ersten Brechungslinse 711A mit der beugenden Oberfläche zur zweiten Brechungslinse 711B mit der beugenden Oberfläche wirkt sich in einer höheren Dispersionskraft aus, wodurch die Brennweiten der Linsen verkleinert werden, ob sie brechender oder beugender Natur sind. Umgekehrt bewirkt eine Vergrößerung der Entfernung zwischen der ersten Brechungslinse 711A mit der beugenden Oberfläche und der zweiten Brechungslinse 711B mit der beugenden Oberfläche eine Verkleinerung der notwendigen Dispersionskraft, wodurch die Brennweiten der Linsen vergrößert werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, einen möglichst großen Abstand zwischen der ersten Brechungslinse 711A mit der beugenden Oberfläche und der zweiten Brechungslinse 711B mit der beugenden Oberfläche vorzusehen, weil dadurch die Struktur der beugenden Oberfläche etwas grob wird, was eine einfache Erzeugung der beugenden Oberfläche zuläßt.
Mit dieser Anordnung werden durch die beugenden und brechenden Wirkungen des hybriden fokussierenden optischen Systems 711 laterale und longitudinale Aberrationen, die durch Femtosekundenlaserimpulse, die am beugenden Element 705 gebeugt wurden, beseitigt und korrigiert. Durch eine derartige Handhabung kann ein kreisförmig fokussierter Punkt T und eine Vielzahl von kreisförmig fokussierter Punkte T, die gleiche Größe haben und die beide keine chromatische Aberration haben, erreicht werden, selbst wenn ein Femtosekundenimpulslaser benutzt wird, wodurch ein sehr präziser Fräsprozess ausgeführt werden kann.

Beispiel 13

In einem Beispiel 13 sind die beugenden Oberflächen und die brechenden Oberflächen des hybriden fokussierenden optischen Systems 711, das im Beispiel 12 angeordnet ist, jeweils aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt. In diesem hybriden fokussierenden optischen System ist eine erste beugende Oberfläche (die negative Brechkraft hat) auf der Rückseite einer flachen Platte gebildet. Eine erste Brechungslinse wird durch eine doppelt-konvexe Linse gebildet, auf der keine beugende Oberfläche ausgebildet ist. Eine zweite Brechungslinse besteht aus einer doppelt- konkaven Linse, auf der keine beugende Oberfläche ausgebildet ist. Die zweite beugende Oberfläche (die positive Brechkraft hat) ist auf der Rückseite einer flachen Platte ausgebildet. Laserfokussierende Charakteristiken und ihre Effekte, die im wesentlichen dieselben wie im Beispiel 12 sind, können auch in der Anordnung wie oben beschrieben erreicht werden.
Die in den Laserbearbeitungsgeräten der Beispiele 12 und 13 bewirkten Dispersionseigenschaften, die auf die Brechung zurückzuführen sind, und die Dispersionseigenschaften, die auf die Beugung zurückzuführen sind, sind so kombiniert, dass sie zusammenwirken, so dass die chromatischen Aberrationen besser korrigiert werden können als im Beispiel 6, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit weiter verbessert werden kann.
Weiterhin kann die Bearbeitung in den Beispielen 12 und 13 in Übereinstimmung mit dem Beispiel 9 auch mit einer Vielzahl von aufgespaltenen Strahlen erfolgen, zusätzlich zu der Bearbeitung mit einem einzelnen Laserstrahl.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden longitudinale und laterale Aberrationen beseitigt oder ausreichend reduziert, weil die beugende Dispersion, die auf beugende Elemente zurückzuführen ist und die brechende Dispersion, die auf brechende Elemente zurückzuführen ist, in der Behandlung eines einzelnen Laserstrahls von einem ultrakurzen Pulslaser auftreten, und zusätzlich können Pulsverbreiterungen, die von den besagten Dispersionen herrühren, auch auf ein ausreichend kleines Maß gedrückt werden. Deshalb kann die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden.
Wenn verschiedene Positionen gleichzeitig mit mehreren Laserstrahlen bearbeitet werden, die von einem ultrakurzen Laserstrahl aufgeteilt wurden, kann ein Feld fokussierter Punkte, das zur Bearbeitung verwendet wird und das von den besagten aufgeteilten Pulsstrahlen erhalten wird, auch vor einer Deformation, die auf chromatische Aberrationen zurückzuführen ist, bewahrt werden. Weiterhin ist es möglich, die Bearbeitung in einem großen Bereich gleichmäßig mit Nadelspitzengenauigkeit durchzuführen, wobei von der Vielzahl fokussierter Punkte Gebrauch gemacht wird.
Weiterhin kann ein Fräsvorgang unter Benutzung eines Laserstrahls mit einer einfachen Anordnung mit Nadelspitzengenauigkeit durchgeführt werden, weil der fokussierte Strahlenpunkt auf einem Umfang durch Rotieren des beugenden Elements bewegt wird. Insbesondere kann, wenn ein ultrakurzer Pulslaser verwendet wird, der Fräsvorgang mit Nadelspitzengenauigkeit dadurch ausgeführt werden, dass ein Laserstrahl durch Korrektur von chromatischen Aberrationen oder durch Korrektur von sowohl chromatischen Aberrationen als auch Pulsverbreiterung auf einen kreisförmigen Punkt fokussiert wird, und zwar sowohl bei Verwendung eines einzelnen Strahles als auch bei Verwendung einer Vielzahl von aufgespaltenen Strahlen.
Dementsprechend können das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung zur Bearbeitung und Herstellung von diversen Teilen unter Verwendung eines ultrakurzen Pulslasers angewandt werden und insbesondere für eine Reihe von Mikromaschinenbearbeitungen.

Claims

1. Laserbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, bei dem ein gepulster Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert und gerichtet wird und wobei chromatische Aberrationen, denen der gepulste Laserstrahl ausgesetzt wird, durch Anwendung von Beugung und Brechung korrigiert werden.

2. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Pulsverbreiterung des Pulslasers durch Anwendung von Beugung und Brechung korrigiert wird.

3. Laserbearbeitungsgerät mit einem fokussierenden optischen System für einen Pulslaser, bei dem die Bearbeitung erfolgt, indem ein Strahl durch das fokussierende optische System hindurch auf ein Werkstück gerichtet wird, wobei das kondensierende optische System wenigstens ein Paar aus einer beugenden Oberfläche und einer brechenden Oberfläche aufweist.

4. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 3, bei dem das fokussierende optische System eine Brechungslinse aufweist, die eine beugende Oberfläche hat.

5. Laserbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 3, bei dem das fokussierende optische System eine Platte mit einer beugenden Oberfläche und eine brechende Linse umfasst.

6. Laserbearbeitungsverfahren, umfassend die Schritte:
Aufspalten eines Laserstrahls in eine Vielzahl von Strahlen mittels eines aufspaltenden beugenden Elements.
Korrigieren von chromatischen Aberrationen, der die Vielzahl aufgespaltener Strahlen unterliegen durch ein fokussierendes optisches System, und
Fokussieren und Projizieren der Vielzahl aufgespaltener Strahlen, deren chromatischen Aberrationen korrigiert wurden, auf ein Werkstück.

7. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 6, bei dem ein fokussierendes beugendes Element, das eine fokussierende Wirkung hat, als fokussierendes optisches System verwendet wird, wobei die Entfernung zwischen dem aufspaltendem beugenden Element und dem fokussierenden beugenden Element ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden beugenden Elements eingestellt wird.

8. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 6, bei dem ein optisches System, das zumindest zwei Gruppen umfasst, von denen jede brechende und beugende Wirkungen hat, als das fokussierende optische System verwendet wird, und die Hauptebene des optischen Systems wellenlängenabhängig angeordnet ist.

9. Laserbearbeitungsgerät umfassend:
einen Lasergenerator zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls
ein aufspaltendes beugendes Element zum Aufspalten des vom Lasergenerator erzeugten Pulslaserstrahls in eine Vielzahl gepulster Laserstrahlen; und
ein fokussierendes optisches System zum Fokussieren der Vielzahl von Laserstrahlen, die durch das aufspaltende beugende Element aufgespalten wurden, nachdem chromatische Aberrationen, denen die aufgespaltenen Strahlen ausgesetzt sind, korrigiert sind.

10. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 9, bei dem ein fokussierendes beugendes Element, das eine fokussierende Wirkung hat, als das fokussierende optische System vorgesehen ist, und der Abstand zwischen dem aufspaltenden beugenden Element und dem fokussierenden beugenden Element ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden beugenden Elements ist.

11. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 9, bei dem ein optisches System, das wenigstens zwei Gruppen aufweist, von denen jede brechende und beugende Wirkungen hat, als das fokussierende System vorgesehen ist.

12. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 11, bei dem eine brechende Linse, die wenigstens eine beugende Oberfläche aufweist, als eine Gruppe des optischen Systems, die brechende und beugende Wirkungen hat, vorgesehen ist.

13. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine beugende Oberfläche und eine Brechungslinse, die in einem anderen Glied als dem Glied, an dem die beugende Oberfläche ausgebildet ist, ausgebildet ist, als eine Gruppe des optischen Systems, die beugende und brechende Wirkungen hat, vorgesehen sind.

14. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das optische System, das die zwei Gruppen umfasst, eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe umfasst, wobei die beugende Oberfläche der ersten Gruppe negative Brechkraft hat, die Brechungslinse der ersten Gruppe positive Brechkraft hat, die Brechungslinse der zweiten Gruppe negative Brechkraft hat, und die beugende Oberfläche der zweiten Gruppe positive Brechkraft hat.

15. Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, bei dem die räumliche Intensitätsverteilung des fokussierten gepulsten Laserstrahls mit einem beugenden Element in eine vorgegebene Form gebracht ist.

16. Laserbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 3 oder 9, umfassend ein pulsformendes beugendes Element zur Formung der räumlichen Intensitätsverteilung des gepulsten Laserstrahls in eine vorgegebene Form.

17. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 9, bei dem eine Phasenfunktion zur Formung der räumlichen Intensitätsverteilung des gepulsten Laserstrahls in die vorgegebene Form in eine Phasenverteilung zur Aufteilung des gepulsten Laserstrahls des aufteilenden beugenden Elements vervielfacht ist.

18. Laserbearbeitungsverfahren umfassend die folgenden Schritte:
Beugen eines gepulsten Laserstrahls durch ein strahlablenkendes beugendes Element;
Korrigieren von chromatischen Aberrationen, die durch ein fokussierendes optisches System am gepulsten Laserstrahl bewirkt werden; und
Bewegen der Fokussierungsposition des gepulsten Laserstrahls durch Rotieren des strahlablenkenden beugenden Elements.

19. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 18, bei dem der gepulste Laserstrahl in eine Vielzahl von Strahlen aufgeteilt wird und die Vielzahl von Strahlen von dem strahlaufteilenden beugenden Element gebeugt wird.

20. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem das fokussierende optische System ein fokussierendes beugendes Element aufweist, das eine fokussierende Wirkung hat, und die Entfernung zwischen dem strahlablenkenden beugenden Element und dem fokussierenden optischen System ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden beugenden Elements eingestellt wird.

21. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem ein optisches System, das wenigstens zwei Gruppen aufweist, von denen jede brechende und beugende Eigenschaften hat, als das fokussierende optische System verwendet wird und die Hauptebene des optischen Systems entsprechend der Wellenlänge positioniert wird.

22. Laserbearbeitungsgerät umfassend:
eine Lasererzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls,
ein strahlablenkendes beugendes Element zum Beugen des gepulsten Laserstrahls, der vom Pulsgenerator erzeugt wurde;
ein fokussierendes optisches System zum Korrigieren von chromatischen Aberrationen, die infolge des Wellenlängenbandes des gepulsten Laserstrahls, der von dem strahlablenkenden beugenden Element gebeugt wird auftreten, und zum Fokussieren des gepulsten Laserstrahls; und
Drehmittel zum Drehen des beugenden Elements.

23. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 22, bei dem sich die Drehmittel drehen und dadurch fokussierten Punkt der Laserstrahlen, die durch das strahlablenkende beugende Element gebeugt werden, bewegen.

24. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 22 oder 23, umfassend ein aufteilendes beugendes Element zum Aufteilen des durch die Lasererzeugungseinrichtung erzeugten gepulsten Laserstrahls in eine Vielzahl von Strahlen, bei dem das strahlablenkende beugende Element die Vielzahl von aufgeteilten Strahlen beugt.

25. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 22, bei dem die optische Achse des Laserstrahls, der auf das strahlablenkende beugende Element fällt, so eingestellt ist, dass sie mit dem Rotationszentrum des strahlablenkenden beugenden Elements zusammenfällt.

26. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 22, bei dem die optische Achse des Laserstrahls, der auf das strahlablenkende beugende Element fällt, so eingestellt ist, dass sie gegenüber dem Rotationszentrum des strahlablenkenden beugenden Elements versetzt ist.

27. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 22, bei dem ein fokussierendes beugendes Element, das eine fokussierende Wirkung hat, als das fokussierende optische System vorgesehen ist, und die Entfernung zwischen dem strahlablenkenden beugenden Element und dem fokussierenden beugenden Element ungefähr gleich der Brennweite des fokussierenden beugenden Elements eingestellt ist.

28. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 22, bei dem ein optisches System, das wenigstens zwei Gruppen aufweist, von denen jede brechende und beugende Wirkungen hat, als das fokussierende optische System vorgesehen ist.

29. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 28, bei dem als eine Gruppe des optischen Systems, das brechende und beugende Wirkungen hat, eine Brechungslinse vorgesehen ist, die wenigstens eine beugende Oberfläche hat.

30. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 28, bei dem als eine Gruppe des optischen Systems, das brechende und beugende Wirkungen hat, wenigstens eine beugende Oberfläche und eine Brechungslinse, die an einem Glied ausgebildet ist, das sich von dem unterscheidet, an dem die beugende Oberfläche ausgebildet ist, vorgesehen sind.