DE19744368A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie eine Vor­ richtung der im Oberbegriff des Anspruchs 18 genannten Art zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laser­ strahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken.

Durch Momma et al, "Präzise Mikro-Bearbeitung mit Femtosekunden-Laserpulsen", Laser und Optoelektronik 29 (3/1997), ist ein Verfahren der betreffenden Art be­ kannt, bei dem Laserstrahlung aus einem ultrakurzge­ pulsten Laser, beispielsweise einem im Femtosekunden­ bereich gepulsten Laser, auf ein Werkstück gerichtet wird, um beispielsweise in dem Werkstück eine im we­ sentlichen rotationssymmetrische Ausnehmung, beispiels­ weise eine Bohrung, zu bilden. Die hierfür erforderli­ che Intensitätsverteilung auf dem Werkstück, beispiels­ weise bei einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrung eine kreis- oder ringförmige Intensitätsver­ teilung, wird bei dem bekannten Verfahren in abbilden­ der Geometrie erzeugt. Mit dem bekannten Verfahren las­ sen sich beispielsweise in 100 µm dicke Werkstücke aus Stahl Bohrungen einbringen, die in guter Näherung rota­ tionssymmetrisch sind.

Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht je­ doch darin, daß insbesondere bei dickeren Werkstücken mit zunehmender Bearbeitungstiefe die Geometrie der gebildeten Ausnehmung von der gewünschten Geometrie, beispielsweise einem kreisförmigen Querschnitt, ab­ weicht, so daß sich mit zunehmender Tiefe der Bearbei­ tung die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung verschlech­ tert.

Durch US 4 547 651 ist eine Vorrichtung zur Be­ arbeitung eines Werkstückes mittels Laserstrahlung be­ kannt, bei der die Polarisationsrichtung der Laser­ strahlung, beispielsweise beim Schneiden eines Werk­ stücks mittels Laserstrahlung, derart verändert wird, daß die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung mit der Richtung des Schnittes in dem Werkstück überein­ stimmt. Die bekannte Vorrichtung ist jedoch zur Mikro­ bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in einem Werkstück, nicht geeignet.

Ferner sind durch US 4 908 493, US 5 057 664 und US 5 223 692 Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werk­ stücken mittels Laserstrahlung bekannt, bei denen die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung während des Bearbeitungsvorgangs verändert wird. Auch diese bekann­ ten Vorrichtungen sind jedoch zur Mikrobearbeitung von Werkstücken nicht geeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der betref­ fenden Art anzugeben, bei dem bzw. bei der die Gleich­ mäßigkeit des Bearbeitungsergebnisses verbessert ist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre und hinsicht­ lich der Vorrichtung durch die im Anspruch 18 angegebe­ ne Lehre gelöst.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lehre be­ steht darin, die Polarisationsrichtung der Laserstrah­ lung während des Bearbeitungsvorganges zu drehen. Es hat sich überraschend gezeigt, daß sich auf diese Weise besonders gleichmäßige Bearbeitungsergebnisse erzielen lassen. Beispielsweise ist es mittels des erfindungs­ gemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung möglich, auch in dickere Werkstücke Bohrungen ein­ zubringen, bei denen der gewünschte, im wesentlichen kreisförmige Querschnitt der Bohrungen über die gesamte Bearbeitungstiefe erhalten bleibt, ohne daß nennens­ werte Abweichungen von dem gewünschten Querschnitt auf­ treten.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundelie­ genden Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens im An­ spruch 11 und hinsichtlich der Vorrichtung im Anspruch 26 angegeben.

Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, zir­ kular polarisierte Laserstrahlung zu verwenden. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls besonders gleichmäßi­ ge Bearbeitungsergebnisse erzielen, so daß sich diesel­ ben Vorteile wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem bzw. bei der die Polarisationsrichtung gedreht wird, erge­ ben. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung, bei dem bzw. bei der zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird, ist weiter vereinfacht, da Mittel zur Drehung der Polarisations­ richtung der Laserstrahlung, wie sie beispielsweise bei der Verwendung von linear polarisierter Laserstrahlung erforderlich sind, vermieden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Aus­ nehmungen, sondern auch in anderer Weise vielfältig einsetzbar, beispielsweise zum Schneiden von Werkstücken, zur Herstellung von Mikrobauteilen, zum Bilden beliebiger Ausnehmungen sowie in anderer Weise zur Mi­ krobearbeitung von Werkstücken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und schnell durchführbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach im Aufbau und kostengünstig herstellbar.

Ferner eröffnen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung neue Anwendungen bei der Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laser­ strahlung, die bei dem bekannten Verfahren aufgrund der dort bestehenden Einschränkungen hinsichtlich der nicht ausreichenden Gleichmäßigkeit des Bearbeitungsergeb­ nisses, insbesondere bei zunehmender Bearbeitungstiefe, nicht möglich waren.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Polarisa­ tionsrichtung während eines Bearbeitungsvorganges, bei­ spielsweise beim Bilden einer im wesentlichen rota­ tionssymmetrischen Ausnehmung, wenigstens einmal um wenigstens etwa 180°, vorzugsweise um wenigstens etwa 360°, um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse gedreht wird. Auf diese Weise läßt sich ein besonders gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erzielen.

Die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung kann beliebig gedreht werden, beispielsweise zufällig. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sieht jedoch vor, daß die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander kontinuierlich gedreht werden. Auf diese Weise ist die Gleichmäßigkeit des Bearbeitungsergebnisses weiter verbessert.

Es ist jedoch auch möglich, die Polarisationsrich­ tung und das Werkstück relativ zueinander schrittweise zu drehen, wie dies eine andere Weiterbildung der er­ findungsgemäßen Lehre vorsieht. So ist es beispiels­ weise möglich, bei Verwendung eines gepulsten Lasers die Polarisationsrichtung jeweils nach einem Laserpuls um einen vorbestimmten Winkelschritt zu drehen.

Grundsätzlich können die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander in einer wechselnden Drehrichtung gedreht werden. Es ist jedoch zweckmäßig, die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander in einer konstanten Drehrichtung zu drehen. Auf diese Weise ist die Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens vereinfacht.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß das Werkstück während des Bearbei­ tungsvorganges gegen laterale Verschiebungen in einer zur Polarisationsebene parallelen Ebene verschiebefest angeordnet ist. Auf diese Weise ist beispielsweise beim Bilden von rotationssymmetrischen Ausnehmungen vermie­ den, daß aufgrund von unerwünschten lateralen Verschie­ bungen des Werkstücks während des Bearbeitungsvorganges Abweichungen von der gewünschten Geometrie der Ausneh­ mung auftreten.

Grundsätzlich können zur Erzielung einer Drehung von Polarisationsrichtung und Werkstück relativ zuein­ ander die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung und/oder das Werkstück während des Bearbeitungsvorgan­ ges gedreht werden. Eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht jedoch vor, daß während des Bearbeitungsvorganges das Werkstück relativ zu der Laserstrahlung fest angeordnet ist und die Pola­ risationsrichtung der Laserstrahlung durch Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung gedreht wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine Drehung des Werkstücks nicht erforderlich, was die Durchführung des Verfahrens vereinfacht.

Bei der vorgenannten Ausführungsform wird die Po­ larisationsrichtung zweckmäßigerweise durch eine im Ausbreitungsweg der Laserstrahlung angeordnete, drehan­ treibbare Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2- Platte (Halbwellenplatte) gedreht. Auf diese Weise ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wei­ ter vereinfacht.

Es ist jedoch auch möglich, daß während des Be­ arbeitungsvorganges die Polarisationsrichtung der La­ serstrahlung fest ist und das Werkstück um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse ge­ dreht wird, wie dies eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsieht.

Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren beliebig polarisierte Laserstrahlung verwendet werden. Eine Ausführungsform sieht jedoch vor, daß li­ near polarisierte Laserstrahlung verwendet wird.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens, bei der zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird, wird die Laserstrahlung zweckmäßiger­ weise mittels einer λ/4-Platte zirkular polarisiert. Auf diese Weise ist die Durchführung des Verfahrens einfach gestaltet.

Zweckmäßigerweise wird die Laserstrahlung durch einen gepulsten Laser erzeugt.

Eine außerordentlich vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Laserstrahlung durch einen ultra­ kurzgepulsten, insbesondere einen im Piko- und/oder Femtosekundenbereich gepulsten Laser, erzeugt wird. Auf diese Weise ist ein unerwünschtes Aufschmelzen des Werkstücks im Bearbeitungsbereich, das zu einem un­ gleichmäßigen Bearbeitungsergebnis führen könnte, zu­ verlässig vermieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vielfältiger Weise zur Mikrobearbeitung von Werkstücken geeignet, beispielsweise zum Bilden von beliebig geformten Aus­ nehmungen in Werkstücken oder zum Erzeugen von Mikro- Bauteilen, beispielsweise Mikro-Zahnrädern. Zweckmäßi­ gerweise wird jedoch das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet, in dem Werkstück mittels der Laser­ strahlung eine im wesentlichen rotationssymmetrische Bohrung zu bilden, wie dies eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsieht.

Zur Erzeugung einer definierten Intensitätsver­ teilung auf dem Werkstück, beispielsweise einer kreis- oder ringförmigen Intensitätsverteilung, können bei­ spielsweise fokussierende oder abbildende Verfahren eingesetzt werden. Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht jedoch vor, daß auf dem zu bearbeitenden Werkstück de­ finierte Intensitätsverteilungen mit hoher Effizienz mittels diffraktiver Optiken erzeugt werden. Mit Hilfe diffraktiver Optiken lassen sich praktisch beliebige, sehr definierte Intensitätsverteilungen auf der Werk­ stückoberfläche ohne das Auftreten des für die ultra­ kurzen Laserpulse kritischen Zwischenfokus erzeugen. Auf diese Weise ist es möglich, beliebige, definierte schmelz- und gratfreie Strukturen in allen Werkstoffen, insbesondere in Metallen, transparenten und organischen Materialien zu erzeugen ohne die Notwendigkeit einer Bearbeitung in einer Vakuumkammer.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungs­ form sieht vor, daß die diffraktiven Optiken Hologramme sind. Derartige Hologramme lassen sich in vielfältiger Weise einfach und kostengünstig herstellen.

Die diffraktiven Optiken können hierbei computer­ generierte, geätzte oder laserstrukturierte Hologramme sein, wie dies eine weitere Ausführungsform vorsieht.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Ausführungs­ formen mit den Hologrammen sind die Hologramme in transparente Kunststoffe, Polymere, Gläser, Quarz oder Salz oder in reflektierende Materialien eingebracht. Auf diese Weise sind die Hologramme einfach handhabbar.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung sieht vor, daß die Mittel zur Drehung der Polari­ sationsrichtung und des Werkstücks relativ zueinander die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander während eines Bearbeitungsvorganges, bei­ spielsweise beim Bilden einer im wesentlichen rota­ tionssymmetrischen Ausnehmung, wenigstens einmal um wenigstens etwa 180°, vorzugsweise um wenigstens etwa 360° um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse drehen. Auf diese Weise läßt sich ein besonders gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erzielen.

Die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstücks relativ zueinander können die Pola­ risationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander kontinuierlich oder schrittweise drehen, wie dies zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung vorsehen.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstückes relativ zu­ einander das Werkstück und die Polarisationsrichtung relativ zueinander in einer konstanten Drehrichtung drehen. Diese Ausführungsform ist einfach und kosten­ günstig herstellbar.

Die Mittel zur Drehung des Werkstücks und der Po­ larisationsrichtung relativ zueinander können in viel­ fältiger Weise ausgebildet sein. Eine besonders vor­ teilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung sieht jedoch vor, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstücks relativ zuein­ ander durch eine im Ausbreitungsweg der Laserstrahlung angeordnete Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2- Platte (Halbwellenplatte), gebildet sind, die um eine zur Polarisationsebene senkrechte Drehachse mittels einer Drehantriebseinrichtung drehantreibbar ist. Der­ artige Verzögerungsplatten sind einfach und kostengün­ stig herstellbar. Außerdem ist diese Ausführungsform einfach und robust im Aufbau.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit den Mitteln zur zirkularen Polarisation der Laserstrahlung sind diese Mittel zweckmäßigerweise durch eine λ/4-Platte gebildet. Mit einer derartigen λ/4-Platte läßt sich auf besonders einfache Weise eine zirkulare Polarisation der Laserstrahlung erzielen.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sind Mittel zur gegen laterale Ver­ schiebungen während des Bearbeitungsvorganges in einer zur Polarisationsebene im wesentlichen parallelen Ebene verschiebefesten Halterung des Werkstücks vorgesehen. Auf diese Weise sind unerwünschte laterale Verschiebun­ gen des Werkstück während des Bearbeitungsvorganges, die zu Abweichungen von der gewünschten Bearbeitungs­ geometrie führen können, zuverlässig vermieden.

Eine andere Ausführungsform sieht eine Positio­ niereinrichtung zur Positionierung von Laser und Werk­ stück relativ zueinander vor. Auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück relativ zu dem Laser vor dem Bearbeitungsvorgang genau zu positionieren oder, bei­ spielsweise beim Schneiden mittels Laserstrahlung, wäh­ rend des Bearbeitungsvorganges zur Erzielung des ge­ wünschten Schnittes zu positionieren.

Eine andere Weiterbildung sieht eine Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitätsverteilung auf dem zu bearbeitenden Werkstück vor.

Gemäß einer Weiterbildung der vorgenannten Aus­ führungsform ist die Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitätsverteilung eine diffraktive Op­ tik. Auf diese Weise lassen sich praktisch beliebige, sehr definierte Intensitätsverteilungen auf der Werk­ stückoberfläche erzielen, ohne daß beispielsweise bei ultrakurzen Laserpulsen ein kritischer Zwischenfokus auftritt.

Zweckmäßigerweise ist die diffraktive Optik ein Hologramm. Derartige Hologramme sind einfach und ko­ stengünstig herstellbar.

Die diffraktive Optik kann auch ein in ein trans­ parentes Material eingebrachtes Hologramm sein, wie dies eine andere Weiterbildung der Ausführungsform mit der diffraktiven Optik vorsieht. Auf diese Weise ist das Hologramm einfacher handhabbar.

Bei der vorgenannten Ausführungsform kann das transparente Material aus Kunststoff, aus einem Poly­ mer, aus Glas, Quarz oder einem Salz bestehen.

Die diffraktive Optik kann jedoch auch ein in ein reflektierendes Material eingebrachtes Hologramm sein, wie dies eine andere Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Hologramm vorsieht.

Gemäß einer anderen Weiterbildung sind die dif­ fraktive Optik und das Werkstück relativ zueinander positionierbar. Auf diese Weise läßt sich der zu be­ arbeitende Bereich des Werkstücks genau einstellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dar­ gestellt ist, näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht ein Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die Intensitätsverteilung auf dem Werk­ stück bei Verwendung eines Doughnut-Ho­ logrammes,

Fig. 3 eine Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Bohrung in einem Werkstück aus Stahl im Eintrittsbereich der Laser­ strahlung,

Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 den Austrittsbereich der Laserstrahlung bei der Bohrung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik erzeugten Bohrung in Stahl gleicher Dicke wie in den Fig. 3 und 4 im Eintrittsbereich der Laser­ strahlung und

Fig. 6 den Austrittsbereich der Laserstrahlung bei der Bohrung gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die ein Lasersystem 4 mit einem ultrakurz­ gepulsten Laser aufweist, der Laserimpulse im Femtose­ kunden-Bereich erzeugt. Im Ausbreitungsweg der durch das Lasersystem 4 erzeugten Laserstrahlung in Ausbrei­ tungsrichtung hinter dem Lasersystem 4 ist eine Halb­ wellenplatte 6 angeordnet, die zur Polarisationsebene der Laserstrahlung, die in Fig. 1 senkrecht zur Zei­ chenebene und in diese hinein verläuft und durch eine Linie P symbolisiert ist, parallel angeordnet ist und Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung der Laser­ strahlung und des Werkstücks relativ zueinander bildet. Die Halbwellenplatte 6 ist mittels einer in Fig. 1 nicht dargestellten Drehantriebseinrichtung um eine zur Polarisationsebene P im wesentlichen senkrechte Dreh­ achse kontinuierlich drehantreibbar. Die von dem Laser­ system 4 erzeugte Laserstrahlung ist linear polari­ siert.

In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hinter der Halbwellenplatte 6 ist im Ausbreitungsweg der La­ serstrahlung eine diffraktive Optik angeordnet, die eine Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Inten­ sitätsverteilung auf einem zu bearbeitenden Werkstück 8 bildet und bei diesem Ausführungsbeispiel durch ein Hologramm 10 gebildet ist. Das Hologramm 10 ist an ei­ nem Positioniertisch angebracht, der in Fig. 1 durch einen Pfeil 12 symbolisiert ist und dazu dient, den Abstand zwischen dem Hologramm 10 und dem zu bearbei­ tenden Werkstück 8 einzustellen.

Das Werkstück 8 ist ebenfalls an einem Positio­ niertisch angeordnet, der in Fig. 1 durch einen Pfeil 14 symbolisiert ist und zur genauen Einstellung des zu bearbeitenden Bereichs des Werkstücks 8 dient.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Hologramm 10 ein Doughnut-Hologramm, so daß sich bei Betrieb der Vorrichtung 2 auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 8 eine kreisringförmige Inten­ sitätsverteilung 16 einstellt, wie dies aus Fig. 2 er­ sichtlich ist.

Nachfolgend soll die Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens mittels der Vorrichtung 2 anhand eines Bearbeitungsvorganges näher erläutert werden, der im Bilden einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrung in dem Werkstück 8 besteht.

Während des Bearbeitungsvorganges wird die Laser­ strahlung des Lasersystems 4 über die Halbwellenplatte 6 und das Hologramm 10 auf das zu bearbeitende Werk­ stück 8 gerichtet, so daß sich auf der Oberfläche des Werkstücks 8 die kreisringförmige Intensitätsverteilung 16 einstellt. Während des Bearbeitungsvorganges wird die Halbwellenplatte 6 durch die nicht dargestellte Drehantriebseinrichtung kontinuierlich drehangetrieben, so daß die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung während des Bearbeitungsvorganges kontinuierlich in einer einheitlichen Drehrichtung in der Polarisations­ ebene P gedreht wird. Durch die Laserstrahlung wird gemäß der kreisringförmigen Intensitätsverteilung 16 Material von dem Werkstück abgetragen, so daß sich eine Bohrung 18 mit im wesentlichen kreisförmigem Quer­ schnitt zu bilden beginnt.

In Fig. 3 ist der Eintrittsbereich 20 der Laser­ strahlung an der Bohrung 18 dargestellt.

Während des Bearbeitungsvorganges wird dann weiter Material an dem Werkstück 8 abgetragen, bis ein Durch­ bruch gebildet ist und die Laserstrahlung auf der dem Eintrittsbereich 20 abgewandten Seite des Werkstücks 8 in einem Austrittsbereich 22 aus dem Werkstück 8 aus­ tritt.

Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß die mit­ tels des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Bohrung 18 mit guter Näherung rotationssymmetrisch ist und daß auch im Austrittsbereich 22 der Laserstrahlung der ge­ wünschte kreisförmige Querschnitt beibehalten ist. Auf diese Weise ist ein besonders gleichmäßiges Bearbei­ tungsergebnis erzielt.

Im Vergleich hierzu sind in Fig. 5 der Eintritts­ bereich 20 und in Fig. 6 der Austrittsbereich 22 einer mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik herge­ stellten Bohrung in einem Material gleicher Dicke dar­ gestellt. Es ist ersichtlich, daß der Eintrittsbereich 20 der Bohrung zwar noch den gewünschten im wesentli­ chen kreisförmigen Querschnitt aufweist, daß bereits bei einer Materialdicke von einem Millimeter im Aus­ trittsbereich 22 jedoch erhebliche Abweichungen von der gewünschten, im wesentlichen kreisförmigen Geometrie der Bohrung 18 auftreten, so daß das bekannte Verfahren zum Bilden von präzisen Bohrungen bereits bei Material­ stärken von etwa 200 µm nicht geeignet ist. Demgegen­ über ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Bilden von Bohrungen in Materialien größerer Materialstärke geeignet.

Falls anstatt linear polarisierter Laserstrahlung zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird, so wird anstatt der drehantreibbaren Halbwellenplatte 6 ein ortsfeste λ/4-Platte verwendet, die die Laserstrah­ lung zirkular polarisiert.

Claims (36)

1. Verfahren zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken,
bei dem die Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung eines im wesentlichen rotationssymme­ trischen Materialabtrages an dem Werkstück die Polari­ sationsrichtung der Laserstrahlung und das Werkstück relativ zueinander während des Bearbeitungsvorganges um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse gedreht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung und das Werkstück während eines Bearbeitungsvorganges, beispielsweise beim Bilden einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausneh­ mung, wenigstens einmal um wenigstens etwa 180°, vor­ zugsweise um wenigstens etwa 360°, um eine zur Polari­ sationsebene im wesentlichen senkrechte Achse relativ zueinander gedreht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polarisationsrichtung und das Werk­ stück relativ zueinander kontinuierlich gedreht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polarisationsrichtung und das Werk­ stück relativ zueinander schrittweise gedreht werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander in einer konstan­ ten Drehrichtung gedreht werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während des Bearbeitungsvorganges gegen laterale Verschiebungen in einer zur Polarisationsebene parallelen Ebene verschie­ befest angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bearbeitungs­ vorganges das Werkstück relativ zu der Laserstrahlung fest angeordnet ist und die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung durch Mittel zur Drehung der Polarisa­ tionsrichtung gedreht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung durch eine im Ausbrei­ tungsweg der Laserstrahlung angeordnete, drehantreibba­ re Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2-Platte (Halbwellenplatte), gedreht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß während des Bearbeitungsvor­ ganges die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung fest ist und das Werkstück um eine zur Polarisations­ ebene im wesentlichen senkrechte Achse gedreht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß linear polarisierte Laser­ strahlung verwendet wird.

11. Verfahren zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken,
bei dem die Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung eines im wesentlichen rotationssymme­ trischen Materialabtrages an dem Werkstück zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Laserstrahlung mittels einer λ/4-Platte zirkular polarisiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung durch einen gepulsten Laser erzeugt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Laserstrahlung durch einen ultrakurzge­ pulsten Laser, insbesondere einen im Piko- und/oder Femtosekundenbereich gepulsten Laser, erzeugt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Werkstück mittels der Laserstrahlung eine im wesentlichen rotationssymme­ trische Bohrung gebildet wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zu bearbeitenden Werkstück definierte Intensitätsverteilungen mit hoher Effizienz mittels diffraktiver Optiken erzeugt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die diffraktiven Optiken Hologramme sind.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die diffraktiven Optiken computergenerierte, geätzte oder laserstrukturierte Hologramme sind.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hologramme in transparente Kunst­ stoffe, Polymere, Gläser, Quarz oder Salz oder in re­ flektierende Materialien eingebracht sind.

20. Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken,
mit einem Laser,
gekennzeichnet durch
Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung der Laser­ strahlung und des Werkstücks (8) relativ zueinander während des Bearbeitungsvorgangs um eine zu der Polari­ sationsebene (P) im wesentlichen senkrechte Achse zur Erzielung eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Abtrages an dem Werkstück (8).

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrich­ tung und des Werkstücks (8) relativ zueinander die Po­ larisationsrichtung und das Werkstück (8) relativ zu­ einander während eines Bearbeitungsvorganges, bei­ spielsweise beim Bilden einer im wesentlichen rota­ tionssymmetrischen Ausnehmung, wenigstens einmal um wenigstens etwa 180°, vorzugsweise um wenigstens etwa 360°, um eine zur Polarisationsebene (P) im wesentli­ chen senkrechte Achse drehen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zur Drehung der Polarisa­ tionsrichtung und des Werkstück (8) relativ zueinander die Polarisationsrichtung und das Werkstück (8) relativ zueinander kontinuierlich drehen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zur Drehung der Polarisa­ tionsrichtung und des Werkstücks (8) relativ zueinander die Polarisationsrichtung und das Werkstück (8) relativ zueinander schrittweise drehen.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstücks (8) relativ zueinander die Polarisationsrichtung und das Werkstück (8) relativ zueinander in einer konstanten Drehrichtung drehen.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstücks (8) relativ zueinander durch eine im Ausbreitungsweg der Laser­ strahlung angeordnete Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2-Platte (Halbwellenplatte) (6), gebildet sind, die um eine zur Polarisationsebene (P) senkrechte Dreh­ achse mittels einer Drehantriebseinrichtung drehan­ treibbar ist.

26. Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken,
mit einem Laser,
gekennzeichnet durch
Mittel zur zirkularen Polarisation der Laserstrahlung.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur zirkularen Polarisation der Laserstrahlung durch eine λ/4-Platte gebildet sind.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, gekennzeichnet durch Mittel zur gegen laterale Ver­ schiebungen während des Bearbeitungsvorganges in einer zur Polarisationsebene (P) im wesentlichen parallelen Ebene verschiebefesten Halterung des Werkstücks (8).

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, gekennzeichnet durch eine Positioniereinrichtung zur Positionierung von Laser (4) und Werkstück (8) relativ zueinander.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitätsverteilung auf dem Werk­ stück (8).

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitätsverteilung eine diffraktive Optik ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeich­ net, daß die diffraktive Optik ein Hologramm (10) ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeich­ net, daß die diffraktive Optik ein in ein transparentes Material eingebrachtes Hologramm (10) ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeich­ net, daß das transparente Material aus Kunststoff, aus einem Polymer, aus Glas, Quarz oder einem Salz besteht.

35. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeich­ net, daß die diffraktive Optik ein in ein reflektieren­ des Material eingebrachtes Hologramm (10) ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Optik und das Werkstück (8) relativ zueinander positionierbar sind.