KR102685458B1

KR102685458B1 - 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 방법

Info

Publication number: KR102685458B1
Application number: KR1020227000468A
Authority: KR
Inventors: 펠릭스 짐머만; 세바스티안 헥커
Original assignee: 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2024-07-15
Anticipated expiration: 2040-06-19
Also published as: EP3986660B1; KR20220016988A; DE102019116798A1; US20220097171A1; WO2020254616A1; CN114126797A; EP3986660A1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한, 바람직하게는 2개의 공작물(20, 22)을 용접하기 위한 방법으로서, 펄스형 레이저 빔(110), 바람직하게는 초단파 펄스 레이저 빔을 적어도 하나의 공작물(20, 22)의 프로세스 구역(4)에 인가하는 단계를 포함하고, 레이저 빔(110)에 의해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는 시간적으로 변조되는, 방법에 관한 것이다.

Description

적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 방법

본 발명은, 예를 들어, 2개의 공작물을 서로 용접하기 위한, 특히 투명한 공작물을 추가 공작물에 용접하거나 2개의 투명한 공작물을 서로 용접하기 위한, 짧은 레이저 펄스에 의해 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 방법에 관한 것이다.

공작물의 프로세싱에 있어, 그리고 특히 2개의 공작물을 서로 용접하는 데 있어, 프로세스 구역에서 개개의 공작물 상에 레이저 빔으로 충격을 가해, 이를 통해 레이저 빔에 의해 충격이 가해진 프로세스 구역에서 에너지 흡수를 통해 용융물을 생성하고, 상기 용융물이 응고 이후 2개의 공작물 사이에 용접 이음매를 형성하는 것이 알려져 있다.

이 경우, 특히, 불투명한 공작물에 대한 투명한 공작물의 용접을 생성하거나 2개의 투명한 공작물을 용접하기 위해, 2개의 공작물 사이에 프로세스 구역을 배치하는 것이 알려져 있다. 이는, 에너지 입력이 프로세스 구역의 영역에서 가장 크고, 그에 따라 프로세스 구역 내의 2개의 공작물 사이에 용융물을 제공하고, 이어서 용융물의 응고 후에 용접 이음매를 제공하는 방식으로, 프로세스 구역 내에 프로세싱 레이저 빔이 포커싱됨으로써 달성된다. 이 경우, 프로세싱 레이저 빔은 대응적으로 투명한 공작물 중 하나를 관통하고, 입구 영역에 대해 공작물의 반대쪽 상에서만 프로세스 구역 내에 포커싱된다.

이 경우, 프로세싱 레이저 빔은 대응하는 광학 유닛 및 그와 연관된 빔 성형에 의해, 공작물 중 하나의 재료 내로, 공작물 둘 모두 내로 그리고/또는 서로 맞닿아 있는 2개의 공작물 사이의 계면의 영역 내로 포커싱되어, 이어서 이 영역의 개개의 프로세스 구역을 형성한다.

공작물의 프로세싱 동안, 그리고 특히 2개의 공작물을 서로 용접하는 동안, 프로세스 구역에서, 포커싱된 레이저 빔으로 인한 높은 국부적 에너지 입력 때문에, 주변 재료 영역에는 존재하지 않는 고온이 발생한다. 따라서, 프로세스 구역에서, 예를 들어 용접 이음매의 생성을 위한 프로세싱에 필요한 열은 주변 재료 영역에 대한 열 응력을 초래한다. 따라서, 용접 이음매의 영역 내의 재료에서 응력 및/또는 균열이 발생할 수 있으며, 이는 접합된 재료의 품질의 감소를 초래할 수 있다.

이는 국부적인 볼륨 또는 표면 수정이 수행되는 다른 국부적 프로세싱 방법에도 동일하게 적용된다. 이러한 추가적인 프로세싱 방법들에서도, 국부적인 볼륨 또는 표면 수정의 형상 및 크기는 주변 재료 영역에서의 허용 가능한 열 응력에 의해 제한된다.

따라서, 특히 실제 입열 동안 발생하는 열 응력은 프로세스 구역에 도입될 수정의 크기 및 형상에 대해 제한적인 영향을 미친다. 다시 말해, 알려진 용접 방법은, 국부적 입열을 통해 도입된 열 응력이 용접 이음매 또는 서로 접합된 공작물의 재료의 구조적 변경, 균열 또는 저품질을 초래할 수 있는 특정 측정치를 초과하지 않아야 한다는 사실에 의해 제한된다.

본 발명의 목적은 알려진 종래 기술에서 더 나아가, 펄스형 레이저 빔을 사용하여 수행되는 공작물을 프로세싱하기 위한 알려진 프로세싱 방법을 개발하는 것이다.

이러한 목적은, 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한, 바람직하게는 2개의 공작물을 서로 용접하기 위한, 청구항 제1항의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 이러한 목적은 또한, 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한, 바람직하게는 2개의 공작물을 서로 용접하기 위한, 독립 디바이스 청구항에 따른 디바이스에 의해 달성된다. 유리한 전개는 종속 청구항, 본 설명 및 첨부 도면을 통해 명백해진다.

따라서, 제안되는 것은, 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한, 바람직하게는 2개의 공작물을 용접하기 위한 방법으로서, 펄스형 레이저 빔, 바람직하게는 초단파 펄스 레이저 빔을 적어도 하나의 공작물의 프로세스 구역에 인가하는 단계를 포함하는 방법이다. 본 발명에 따르면, 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는 시간적으로 변조된다.

레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지의 시간적 변조로 인해, 재료에 생성되는 열 응력은, 이러한 변조 없이 수행되는 프로세싱과 비교하여 감소될 수 있다. 응력의 경우, 재료가 여전히 가열되고 있다면 실제 프로세싱 동안 그리고 그 후에 발생하게 되는 소위 과도 응력, 및 영구 응력 둘 모두를 감소시키는 것이 가능하다.

레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지의 시간적 변조로 인해, 프로세스 구역으로의 에너지의 더 균질한 결합이 달성되는 방식으로 국부적 열 축적을 변조하는 것이 가능하다. 따라서 달성될 수 있는 것은, 특히, 프로세싱의 효율 개선을 초래하도록, 재료에서 원하지 않는 균열을 발생시키지 않으면서 용접을 성취하는 데 사용될 수 있는 평균 에너지가 증가할 수 있다는 것이다. 따라서, 재료에 도입되고 균열-없는 프로세싱이 성취될 수 있게 하는 수정의 크기 및 형상에 관한 제한을 바꾸는 것도 가능하다.

프로세스 구역에 결합된 에너지의 변조에 의해 달성될 수 있는 것은, 공작물의 재료에서 발생하는 열 확산 프로세스가 더 효율적인 에너지 입력 및 그에 따른 프로세싱 시간의 단축 둘 모두 뿐만 아니라, 이 경우 재료의 응력 감소를 동시에 달성하기 위해 더 잘 활용될 수 있다는 것이다.

선택된 변조 주파수에 따라, 이 경우, 변조-없는 프로세싱과 비교하여, 프로세스 구역으로의 에너지의 더 균질한 결합이 달성될 수 있다.

펄스형 레이저 빔을 사용하여, 그리고 특히 초단파 레이저 펄스를 사용하여, 재료에 도입된 수정은 재료 내의 개개의 레이저 펄스의 중첩을 통해, 또는 그 외에 재료에서 레이저 펄스의 공간적으로 분리된 충격을 통해 생성될 수 있다.

레이저 펄스가 크게 중첩된 상태에서 재료에 충격을 가할 때, 그에 따라, 프로세스 구역에 결합된 에너지의 시간적 변조로 인해, 재료에서의 열 축적의 정도 변조가 달성될 수 있다. 또한, 사용될 변조는 특히 재료의 통상적인 열 확산 시간에 좌우된다. 동일한 위치에서 또는 중첩되는 위치에서 다음 레이저 펄스까지의 시간이 재료 내에서 레이저 펄스를 통한 입열의 충분한 확산을 허용하기에 충분하지 않으면, 중첩 영역에 다음 레이저 펄스가 나타날 때 매우 국부적인 열 축적이 발생한다. 따라서, 결합된 에너지의 시간적 변조를 통해 달성될 수 있는 것은, 재료의 통상적인 열 확산 시간이 재료에서의 과도 응력 및 영구 응력의 발생을 감소시키는 방식으로 이용된다는 것인데, 이는, 다른 영역으로의 열의 확산이 응력을 감소시키기 위해 유리하게 사용될 수 있기 때문이다. 다시 말해, 열은 유리하게는 공작물에서 분산되어, 이러한 방식으로 공작물의 재료에서 고온 구배의 불리한 발생을 감소시키고, 그에 따라 동시에 열 응력의 발생을 감소시킨다.

재료 내로의 레이저 펄스의 중첩된 도입을 사용함으로써, 결합된 에너지의 시간적 변조를 통해 프로세싱 결과의 개선이 달성될 수 있다.

대조적으로, 개개의 레이저 펄스가 공간적으로 분리된 스팟으로서 공작물 내로 도입되면, 결합된 에너지의 대응하는 시간적 변조를 통해, 예를 들어 정의된 균열 가이던스(crack guidance)가 달성될 수 있으며, 이러한 균열 가이던스는, 예를 들어 공작물을 분리하는 데, 예를 들어 유리를 분리하는 데 바람직할 수 있다.

바람직하게는, 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는 바람직하게는 레이저 펄스 및/또는 펄스 트레인 당 일정한 에너지로 레이저 펄스 사이 및/또는 펄스 트레인 사이의 시간 간격의 변조에 의해 시간적으로 변조되고, 여기서 반복률은 바람직하게는 10 kHz 내지 1 GHz로 변조된다.

바람직하게는, 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는 레이저 펄스의 펄스 지속기간의 변조에 의해 시간적으로 변조되고, 여기서 펄스 지속기간은 바람직하게는 0.1 ps 내지 20 ps로 변조된다.

바람직하게는, 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는, 바람직하게는 연속적인 레이저 펄스 및/또는 펄스 트레인 사이에 일정한 시간 간격을 두고, 연속적인 펄스 및/또는 펄스 트레인의 평균 에너지 및/또는 에너지 분포의 변조에 의해 시간적으로 변조된다.

바람직하게는, 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는 펄스 일시정지에 의해, 바람직하게는 0.05 ms 내지 5 ms의 펄스 일시정지에 의해 시간적으로 변조된다.

바람직하게는, 펄스 에너지 및/또는 펄스 지속기간 및/또는 펄스 트레인의 길이는 펄스형 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 소스의 제어 유닛에 의해 시간적으로 변조되고, 여기서 변조는 바람직하게는 외부 신호 송신기를 통해 제어된다.

바람직하게는, 펄스형 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는 셔터 및/또는 음향-광학 변조기에 의해 변조되고/되거나 음향-광학 편향기(AOD)에 의해 편향되고, 그에 따라 프로세스 구역에 도입된 에너지는 변조된다. AOD에 의한 편향 및 변조는 바람직하게는 1 MHz 초과의 변조 주파수와 관련이 있다.

바람직하게는, 펄스형 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지는, 바람직하게는 변형 가능한 미러에 의해 그리고/또는 TAG 렌즈("tunable acoustic gradient" lens)에 의한, 수차의 시간적 변조에 의해 생성된다. TAG 렌즈의 경우, 음향-광학 변조로 인해 시간적으로 변조된 굴절률 분포를 갖는 액체가 제공되고, 그에 따라, 렌즈의 초점 거리는 시간적으로 변조된다.

바람직하게는, 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위해 베셀 빔 형상을 갖는 레이저 빔이 사용된다.

바람직하게는, 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위해, 프로세스 구역에서, 서로에 대해 길이방향으로 그리고/또는 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 적어도 2개의 빔 프로파일, 바람직하게는 서로에 대해 길이방향으로 그리고/또는 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 적어도 2개의 가우시안 프로파일을 갖는 펄스형 레이저 빔이 사용된다.

전술된 목적은 또한, 독립 디바이스 청구항에 따른 장치에 의해 달성된다.

따라서, 제안되는 것은, 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 디바이스로서, 펄스형 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 소스, 및 적어도 하나의 공작물 내의 프로세스 구역에 펄스형 레이저 빔을 인가하기 위한 광학 유닛을 포함하는, 디바이스이다. 본 발명에 따르면, 레이저 소스는 펄스형 레이저 빔을 시간적으로 변조하도록 구성된다.

본 방법과 관련하여 이미 전술된 이점은 이러한 방식으로 달성된다.

바람직하게는, 레이저 소스는 외부 신호 송신기에 의해 시간적으로 변조된다.

바람직하게는, 액시콘(Axicon) 및/또는 회절 광학 요소 및/또는 공간 광 변조기는 레이저 소스와 프로세스 구역 사이에 배열된다.

본 발명의 바람직한 추가 실시예는 도면에 관한 하기 설명을 통해 더 상세히 설명된다.
도 1은 에너지가 시간적으로 변조되는 펄스형 레이저 빔에 관한 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 개별 레이저 펄스의 에너지는 톱니의 형태로 후속 레이저 펄스에 대해 시간적으로 변조된다.
도 2는 에너지가 시간적으로 변조되는 펄스형 레이저 빔에 관한 추가적인 개략적 예시를 도시하며, 여기서 개별 레이저 펄스의 에너지는 정현파 방식(또는 sin²ⁿ, 여기서 n = 자연수)으로 후속 레이저 펄스에 대해 시간적으로 변조된다.
도 3은 에너지가 시간적으로 변조되는 펄스형 레이저 빔에 관한 추가적인 개략적 예시를 도시하며, 여기서 개별 레이저 펄스의 에너지는 직사각형 방식으로 후속 레이저 펄스에 대해 시간적으로 변조된다.
도 4는 에너지가 (kHz 범위에서) 높은 주파수로 변조되는 펄스형 레이저 빔에 관한 개략적인 예시(여기서, 에너지가 변조되는 개별 레이저 펄스는 개별 펄스 트레인의 평균 에너지의 중첩된 변조를 거침), 및 또한 그러한 레이저 빔으로 프로세싱된 공작물의 현미경 사진을 도시한다.
도 5는 도 4에 존재하는 바와 같이, 평균 에너지가 펄스 트레인의 저속 변조로 변조되지만 kHz 범위의 높은 주파수로 수행되는 에너지 변조가 없는 레이저 빔에 관한 개략적인 예시, 및 또한 그러한 레이저 빔으로 프로세싱된 공작물의 현미경 사진을 도시한다.
도 6은 공작물 내로 도입되는 펄스형 레이저 빔의 스팟의 평면도에 관한 개략적인 예시, 및 또한 그 아래에 개개의 레이저 펄스의 시간적으로 변조된 에너지에 관한 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 전체 펄스 트레인의 에너지는 정현파 방식으로 시간적으로 변조된다.
도 7은 펄스형 레이저 빔의 레이저 펄스 사이의 시간 간격의 변조에 관한 개략적인 예시를 도시한다.
도 8은 펄스형 레이저 빔의 에너지의 동시적인 시간적 변조와 펄스형 레이저의 레이저 펄스 사이의 시간 간격의 변조에 관한 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 전체 펄스 트레인의 에너지는 톱니의 형태로 시간적으로 변조된다.
도 9는 개별 레이저 펄스의 에너지의 동시적인 시간적 변조와 레이저 펄스의 펄스 지속기간의 시간적 변조에 관한 개략적인 예시를 도시한다.
도 10은 추가 변형에서 개별 레이저 펄스의 에너지의 동시적인 시간적 변조와 레이저 펄스의 펄스 지속기간의 시간적 변조에 관한 개략적인 예시를 도시한다.
도 11은 개별 레이저 펄스에 의해 공작물 내로 도입되는 스팟에 관한 개략적인 예시, 및 그 아래에 펄스형 레이저 빔의 레이저 펄스 사이의 시간 간격의 변조에 관한 개략적 예시를 도시한다.
도 12는 레이저 펄스를 통해 공작물 내로 도입되는 스팟에 관한 개략적인 예시, 및 그 아래에 펄스형 레이저 빔의 레이저 펄스 사이의 시간 간격의 변조에 관한 개략적 예시, 및 또한 그 아래에 공작물과 레이저 빔의 초점 사이의 상대적인 피드 속도에 관한 개략적 예시를 도시한다.
도 13은 에너지가 시간적으로 변조되는 펄스형 레이저 빔에 관한 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 레이저 펄스의 에너지는 정현파 방식으로 변조되고 펄스 일시정지는 변조에 포함된다.
도 14는 펄스형 레이저 빔에 의해 2개의 공작물을 용접하기 위한 디바이스의 구성에 관한 개략적 예시를 도시한다.

바람직한 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 아래에서 설명된다. 이 경우, 동일하거나, 유사하거나, 동일하게 작용하는 요소에는 다양한 도면에서 동일한 참조 부호가 제공되며, 경우에 따라서는 중복을 피하기 위해, 이들 요소의 반복되는 설명이 생략된다.

공작물을 프로세싱하기 위해, 예를 들어 2개의 공작물을 용접하기 위해, 특히 2개의 투명한 공작물을 용접하기 위해, 또는 공작물에 또는 그 표면 상에 다른 볼륨 또는 표면 수정을 도입하기 위해, 그에 따라 공작물 또는 공작물 둘 모두의 프로세스 구역에 충격을 가하는 펄스형 레이저 빔, 바람직하게는 초단파 펄스형 레이저 빔을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 펄스형 레이저 빔은 통상적으로 광학 유닛에 의해 프로세스 구역 내에 포커싱되어, 그에 따라, 프로세스 구역의 영역에서 특히 높은 에너지 밀도를 달성함과 동시에, 주변 재료 영역으로의 가능한 가장 낮은 에너지 입력을 달성한다.

펄스형 레이저 빔의 레이저 펄스의 에너지는 프로세스 구역에 존재하는 재료에 의해 부분적으로 흡수되고, 그에 따라 프로세스 구역에서 온도의 상승을 초래한다. 각각의 레이저 펄스에 의해, 그에 따라 새로운 에너지가 프로세스 구역에 공급됨으로써, 프로세스 구역에서 재료의 온도가 다시금 증가한다. 동시에, 열은 열 확산 프로세스에 의해 프로세스 구역으로부터 재료의 주변 볼륨 영역으로 소산되고, 그에 따라, 레이저 펄스가 연속적으로 프로세스 구역에 충격을 가하는 경우의 공작물의 재료의 전형적인 열 확산 계수를 고려하면, 온도 증가, 프로세스 구역의 일정한 온도, 또는 온도 감소(이미 고온 상태인 경우)가 발생할 수 있다. 이는 각각의 경우에, 재료에서의 열 확산 프로세스로 인해 열이 프로세스 구역 밖으로 확산되는 것보다 더 빠르게 레이저 펄스에 의해 온도가 증가할 수 있는지 여부에 따라 좌우된다.

그에 따라, 열 축적 또는 열 확산이 프로세스 구역에서 발생하는지 여부는, 재료에 도입되는 레이저 펄스의 에너지 및 연속적인 레이저 펄스의 주파수에 의해 실질적으로 결정된다. 공작물과 프로세싱 레이저 빔 사이의 상대적인 속도를 수반하는 프로세싱의 경우, 레이저 스팟의 공간적 중첩(N > 1)도 존재해야 하며, 여기서 초점 크기(D), 반복률(R) 및 피드(V)는 펄스 중첩(N = D*R/V)을 정의한다.

공작물 내의 과도 또는 영구 응력의 형성을 감소시키기 위해, 레이저 빔에 의해 프로세스 구역에 결합된 에너지를 시간적으로 변조하는 것이 이제 제안된다.

도 1은 프로세스 구역에 인가되는 펄스형 레이저 빔의 펄스 그룹 또는 개별 레이저 펄스의 에너지의 시간적 변조의 변형을 개략적으로 도시한다. 이 경우, 레이저 에너지(E)는 시간(t)에 대해 플로팅된다. 개별 레이저 펄스(10) 또는 펄스 그룹은 라인에 의해 개략적으로 표시되고, 포락선(12)에 의해 경계가 정해진다.

라인으로 표현된 레이저 펄스(10)는 원칙적으로 레이저 펄스의 펄스 그룹도 예시할 수 있다. 이 경우, 연속적인 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 그룹의 에너지의 시간적 변조가 중요하다. 다시 말해, 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 그룹의 에너지의 펄스-간 변조가 수반된다.

따라서, 도 1은 포락선(12)에 의해 표현되는 톱니 함수(sawtooth function)의 형태로 후속 레이저 펄스에 대한 개별 레이저 펄스(10)의 에너지의 시간적 변조를 도시한다.

후속 레이저 펄스에 대한 개별 레이저 펄스(10)의 에너지의 시간적 변조는 레이저 소스 자체에 의해, 또는 레이저 소스와 프로세스 구역 사이에 개재되어 펄스형 레이저 빔의 에너지의 시간적 변조를 야기하는 광학 요소에 의해 달성될 수 있다. 이는 본원에서 개시되는 모든 실시예 및 변조 패턴에 적용된다.

도 2는 시간 경과에 따른 개별 레이저 펄스(10)의 레이저 에너지(E)의 시간적 변조에 관한 개략적인 예시를 도시하며, 이 경우, 연속적인 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 그룹의 에너지의 포락선(12)은 준-정현파 변조를 나타낸다.

도 3은 레이저 펄스(10)의 시간적 변조를 개략적으로 도시하며, 이 경우, 연속적인 레이저 펄스의 에너지의 포락선(12)은 준-직사각형 변조를 나타낸다. 도 4는, 도면의 상부 부분에서, 예를 들어 10 Hz 내지 10 GHz의 변조 주파수로 제공될 수 있는 고속 정현파 포락선(12)을 갖는 레이저 펄스(10)의 레이저 에너지(E)의 시간적 변조를 도시한다. 마찬가지로, 정현파 변조(14)는 포락선(12) 상에 중첩된다. 이 실시예에서, 중첩된 변조(14)의 주파수는 일정하고, 예를 들어 0.01 Hz 내지 2.5 kHz의 범위일 수 있다.

저속 변조의 주파수는 프로세싱된 라인의 길이에 맞춰 조정될 수 있다. 예로서, 10 mm 라인 길이는 10 mm/s로 용접될 수 있고, 이 경우에 저속 1 Hz 변조(14)가 사용될 수 있다.

그러나, 대안적인 실시예에서, 변조(14)는 가변 주파수도 가질 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 중첩된 변조(14)의 대응하는 표시는 연속적인 레이저 펄스(10) 또는 연속적인 레이저 펄스 그룹의 평균 에너지 및/또는 에너지 분포의 변동을 초래하며, 이는 포락선(12)에 의해 도시된다.

도면은 시간 경과에 따른 레이저 에너지의 다이어그램 아래에서, 포락선(12) 상에 중첩된 상기 변조(14)에 의해 공작물에 기록된 재료 수정의 단면에 대한 현미경 사진을 도시한다(현미경 사진에서, 레이저 빔은 위로부터 방사되었고, 발생된 프로세스 구역은 좌측에서 우측으로 이동하였다). 재료 수정은 레이저 펄스의 시간적으로 변조된 에너지를 따른다는 것이 명백하다.

이어서, 도 5는 비교를 위해 레이저 펄스(10)의 다이어그램을 도시하며, 그 에너지는 저속 변조(14)를 통해서만 변화하고, 도 4에서와 같은 고속 변조를 통해서는 변화하지 않는다. 그 아래에는, 저속 변조(14)를 통해 공작물에 기록된 재료 수정이 단면의 현미경 사진으로 명백하게 나타나 있으며, 이는 재료 수정이 레이저 펄스의 시간적으로 변조된 에너지를 특별히 정확하게 따르지는 않는다는 것을 드러낸다. 비교해 보면, 발생하는 재료 수정은 매우 불균질하게 형성된다.

도 6은 레이저 스팟(30)이 내부에 도시된 공작물(20)을 위쪽 예시에서 개략적으로 도시하며, 상기 레이저 스팟은 약간 중첩된다. 그 아래에서, 도면은 개별 레이저 펄스(10)의 예시를 개략적으로 도시하며, 그 에너지는, 각각의 경우에 재료(20) 내의 개개의 인접한 레이저 스팟(30)에서, 상이한 에너지가 공작물 내로, 그리고 그에 따라 공작물 내의 프로세스 구역(4) 내로도 결합될 수 있도록 시간적으로 변조된다.

도 7은 개별 레이저 펄스(10) 사이의 시간 간격의 변조를 개략적으로 도시한다. 이 경우, 예로서, 제1 레이저 펄스와 제2 레이저 펄스 사이에 시간(t1)이 제공되고, 제2 레이저 펄스와 제3 레이저 펄스 사이에 더 긴 시간(t2)이 제공되고, 제3 레이저 펄스와 제4 레이저 펄스 사이에 훨씬 더 긴 시간(t3)이 제공되며, 여기서, 이후에 다시 후속 레이저 펄스까지 동일한 시간(t3), 이어서 다시 시간(t2) 및 이어서 시간(t1)이 사용되는 식이다. 본원에서, 개개의 레이저 펄스(10) 사이의 시간 간격의 변조는 그에 따라 발생한다.

도 8은 개별 레이저 펄스(10) 사이의 시간 간격의 변조에 관한 추가적인 개략적 예시를 도시하고, 동시에 레이저 에너지(E)의 시간적 변조가 일어나는 것도 도시하며 이는 포락선(12)을 따른다. 이 경우, 레이저 펄스(10)의 레이저 에너지(E)는 레이저 펄스(10) 사이의 시간 간격이 짧아질수록 감소하고, 시간 간격이 길어질수록 다시 증가한다.

도 9는 레이저 펄스(10)의 펄스 지속기간(d1, d2, d3, d4)이 시간적으로 변조되는(예를 들어 0.1 내지 20 ps) 실시예를 도시한다. 여기서, 펄스 트레인 내의 레이저 펄스의 펄스 지속기간이 상승한다.

동시에, 10 kHz 내지 1 GHz의 반복 주파수를 변조하는 것도 가능하다. 개개의 레이저 펄스의 에너지는 또한, 준-정현파 함수를 나타내는 포락선(12)을 생성하는 방식으로 시간적으로 변조될 수 있다.

도 10은 도 9와 유사한 실시예를 도시하지만, 이 경우에, 여기서 펄스 지속기간(d1, d2, d3)은 먼저 포락선(12)의 중심을 향해 상승한 다음 다시 하강한다. 펄스 지속기간이 도 9 및 도 10과 상이하게 변조되는 경우, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다.

도 11은 공작물(20)의 추가적인 개략적 예시를 도시하며, 이 경우 레이저 스팟(30)은 프로세스 구역(4)에 다시 한번 도시되지만, 여기서는 서로 상이한 거리에 있으며, 여기서 서로 중첩하는 레이저 스팟(30)이 존재하고, 서로 분리된 레이저 스팟(30)이 존재한다.

아래에 도시된 시간 경과에 따른 개별 레이저 펄스(10)의 개략적인 예시는, 2개의 레이저 펄스 각각 사이의 시간 간격이 여기서 변조된다는 것을 드려내며, 개개의 레이저 펄스(10) 사이의 4개의 상이한 시간 간격의 제공이 이루어진다. 이러한 방식으로, 개개의 레이저 스팟(30)에서 레이저 빔에 의해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는 시간적으로 변조될 수 있으며, 여기서 이는 동시에 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지의 공간적 수정도 초래한다.

이 예시적인 실시예에서, 레이저 빔과 공작물 사이의 피드 속도(V), 및 각각의 레이저 펄스(10)에 의해 공작물(20)의 프로세스 구역(4)에 또는 공작물(20)에 결합된 에너지 둘 모두는 동일한 크기를 갖는다.

도 12는 개별 레이저 스팟(30)이 프로세스 구역(4) 내로 도입되는 경우, 개략적으로 표시된 공작물(20)의 추가의 예시를 도시한다. 레이저 스팟(30)은 공작물(20)에서 서로 동일한 거리에 있다. 개별 레이저 펄스(10)를 그의 시간적 시퀀스로 다시 한번 도시하는 아래의 다이어그램에서, 2개의 연속적인 레이저 펄스(10) 사이의 간격은 각각의 경우에 시간적으로 변조된다. 레이저 펄스(t1, t2, t3) 사이의 3개의 상이한 시간 간격이 여기서 개략적으로 도시된다.

그 아래에서 도면은 레이저 빔과 공작물(20) 사이의 가변적인 상대 피드 속도(V)를 도시하며, 여기서 피드 속도는 2개의 연속적인 레이저 펄스(10) 사이에 보다 긴 시간 간격이 제공되는 영역에서 더 낮다. 따라서, 개별 레이저 펄스(10) 사이의 시간 간격은 상이하지만, 그럼에도 불구하고 레이저 스팟(30)은 공작물(20)에서 서로 동일한 거리로 배열된다는 것이 명백하다.

레이저 빔을 통해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는 시간적으로 변조되는데, 그 취지는 연속적인 레이저 펄스 사이의 간격이 더 큰 영역에서, 공작물(20)이 그에 따라 프로세스 구역(4)으로부터의 열을 주변 재료 내로 소산시키기 위한 더 긴 기간을 갖는다는 것이다. 따라서, 프로세스 구역에 결합된 에너지의 시간적 변조는 재료(20)의 열 확산 시간의 활용과 함께 발생한다.

도 13은 프로세스 구역에 결합될 펄스형 레이저 빔의 추가적인 개략적 예시를 도시하며, 이 경우 개별 레이저 펄스(10)는 그의 레이저 에너지(E)에 대해 시간적으로 변조되며, 여기서 변조는 준-정현파 함수를 설명하는 포락선(12)을 형성하고, 여기서 정현파 함수는 고정된 변조 주파수(F)를 갖는다. 펄스 일시정지(P)는 각각의 경우에 개별 펄스 그룹 사이에 제공된다.

여기서, 펄스 일시정지(P)는 0.05 ms 내지 5 ms의 길이를 가질 수 있다. 펄스 일시정지(P)는 여기서, 레이저 펄스의 에너지의 시간적 변조에 부수적으로 포함된다.

초단파 레이저 펄스가 투명 재료, 예를 들어 석영 유리의 볼륨 내에 또는 표면 상에 포커싱되는 경우, 초점에 존재하는 높은 세기는 비선형 흡수 프로세스를 초래하며, 그에 의해 레이저 파라미터에 따라, 상이한 재료 수정이 유도될 수 있다. 따라서, 초점 위치를 이동시킴으로써(레이저 초점 또는 샘플을 스캐닝함으로써), 확장된 영역을 수정하는 것이 가능하며, 여기서 초점 크기(D), 반복률(R) 및 피드(V)는 펄스 중첩(N = D*R/V)을 정의한다. 공간적으로 분리된(N < 1) 및 중첩하는(N > 1) 펄스 또는 펄스 트레인(소위 버스트) 둘 모두를 갖는 프로세스 체제가 본원에서 고려된다. 중첩이 크고, 시간적 펄스 간격이 유리의 통상적인 열 확산 시간보다 짧다면, 열 축적이 발생할 수 있다. 결과적으로, 초점 영역의 온도는 펄스마다 증가하며, 그 결과, 유리의 국부적인 용융이 발생할 수 있다. 2개의 유리 계면에서 수정의 위치결정이 이루어지면, 냉각 용융물은 두 샘플 모두의 안정적인 연결을 생성한다.

피드를 이용한 프로세싱의 경우 및 고정식 프로세싱의 경우 둘 모두에서, 결합된 펄스 에너지의 시간적 변조(예를 들어, 톱니형, 정현파 또는 직사각형)는 재료에 유도된 (과도 및 영구) 응력을 감소시킬 수 있다. 열 축적 및 높은 펄스 중첩과 함께, 균열-없는 용접이 성취될 수 있는 평균 전력(및 그에 따라 도입된 수정의 크기)이 결과적으로 증가한다. 변조 주파수에 따라, 여기서, 변조-없는 프로세싱과 비교하여 (전형적으로는 100 Hz 내지 대략 5 kHz의 변조 주파수에서) 에너지의 (더 많은) 균질한 결합을 생성하는 것, 또는 그 외에 (통상적으로, 5 kHz 초과의 변조 주파수에서) 수정 프로세스에 동적 특성을 가하는 것이 가능하다.

마찬가지로, 공간적으로 분리된 스팟의 프로세스 체제에서, 연속적인 펄스(또는 펄스 트레인)의 에너지 변조는, 예를 들어 유리 분리를 위해 요망되는 정의된 균열 가이던스를 촉진할 수 있다.

이 경우, 변조는 다양한 시간 주기적 프로파일, 특히 변조 진폭, 변조 상승, 또는 그 외에 포지티브 및 네거티브 댐핑을 가질 수 있다. 이 경우, 변조는 사용되는 빔 형상과는 무관하며, 여기서, 특히 비-가우시안 빔 형상(예를 들어, 베셀), 또는 그 외에 복수의 (길이방향 및/또는 측방향) 오프셋된 가우시안 프로파일로 구성된 빔 형상이 사용될 수 있거나 변조를 거칠 수 있다. 변조 파라미터(예를 들어, 형상, 주파수, 진폭 등)는 프로세스에서 추가적으로 변화할 수 있다.

또한, 결합된 에너지를 조절하기 위한 추가적인 접근법들이 상정될 수 있다. 이들은 시간 경과에 따라 레이저 반복률을 빠르게 변화시키는 것을 포함하며, 그에 의해, 예를 들어 (중첩이 큰 구조일 때) 열 축적의 정도가 변화할 수 있다. 펄스 지속기간은 마찬가지로, 예를 들어 1 ps에서 50 ps로 그리고 그 반대로 진행하여 주기적으로 빠르게 변화할 수 있다. (그 외에는 동일한 파라미터를 가질 때) 결과적으로, 펄스 세기는 수정 임계치 미만으로도 떨어질 가능성이 있으며, 그 결과, 결합된 에너지의 변조도 마찬가지로 발생한다.

도 14는 공작물을 프로세싱하기 위한 디바이스(100)의 개략적인 예시이며, 여기서 제1 공작물(20) 및 제2 공작물(22)이 제공되고, 제1 공작물(20)은 밑면(200)을 갖고, 제2 공작물(22)은 상단 면(220)을 가지며, 이들은 서로 직접적으로 맞닿아 있다. 상부 공작물(20)의 밑면(200) 및 하부 공작물(22)의 상단 면(220)은 프로세스 구역(4)이 형성되도록 의도된 평면을 형성한다.

펄스형 레이저 빔(110)이 레이저 소스(114)에 제공되고, 광학 유닛(112)을 통해 프로세스 구역(4) 내에 포커싱된다. 2개의 공작물(20, 22)은 레이저 빔(110)에 대해 피드 방향(X)으로 이동한다.

레이저 빔(110)은 레이저 펄스 사이의 그리고/또는 펄스 트레인 사이의 시간 간격과 관련하여 레이저 소스(114)에서 이미 변조되었다. 레이저 소스(114)에서, 레이저 빔(110)은 또한 각 레이저 펄스(10)의 개개의 펄스 에너지에 대해 시간적으로 변조될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 바람직하게는 내부 신호 송신기, 또는 그 밖에 외부 신호 송신기(118)가 제공될 수 있으며, 그에 의해 펄스 에너지의 변조가 제어된다.

펄스형 레이저 빔(110)에 의해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지의 변조는 또한, 셔터 및/또는 음향-광학 변조기 및/또는 음향-광학 편향기에 의해 달성될 수 있으며, 이어서, 이는 마찬가지로 바람직하게는 내부 또는 외부 신호 송신기에 의해 제어된다.

일 개발에서, 펄스형 레이저 빔(110)에 의해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는, 바람직하게는 변형 가능한 미러에 의해 그리고/또는 TAG 렌즈에 의한, 수차의 시간적 변조에 의해 변조될 수 있다.

베셀 빔을 생성하기 위해, 액시콘(116) 및/또는 회절 광학 요소(DOE) 및/또는 공간 광 변조기(SLM-공간 광 변조기)가 빔 경로에 제공될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같은 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 방법은 모두, 바람직하게는 가우시안 빔 또는 베셀 빔을 이용하여 수행될 수 있다.

적어도 하나의 공작물(20, 22)을 프로세싱하기 위해, 프로세스 구역(4)에서, 서로에 대해 길이방향으로 그리고/또는 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 적어도 2개의 빔 프로파일, 바람직하게는 서로에 대해 길이방향으로 그리고/또는 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 적어도 2개의 가우시안 프로파일을 갖는 펄스형 레이저 빔(110)도 사용될 수 있다.

여기서, 베셀 빔의 자가-치유 특성은 유리하며, 그에 따라, 예를 들어, 산란 중심에 의해 야기되는, 전파 축의 한 지점에서의 부분적인 교란 또는 차단의 경우에 있어서, 상기 빔은 그의 원래의 형상을 복구한다(단, 나중에는 전파 방향으로 복구함). 그에 따라, 베셀 빔은 투명 공작물의 재료 프로세싱에 특히 적합하며, 이 경우, 재료 프로세싱은 프로세스 구역에서 발생하도록 의도되며, 이는, 입구 측에 대해 투명한 공작물의 반대쪽 상에서 레이저 빔이 투명 재료를 통과한 후에만 발생하도록 의도된다. 베셀 빔의 자가-치유 특성으로 인해, 공작물의 재료에 존재하는 가능한 교란은 프로세싱 결과에 전혀 영향을 미치지 않거나 약간의 영향만을 미친다.

따라서, 디바이스는, 예를 들어, 초단파 펄스 레이저, 선택적으로 추가적인 빔 성형 요소(SLM/DOE) 및/또는 스캐너(특히, 마이크로-스캐너), 포커싱 광학 유닛(예를 들어, 현미경 대물 렌즈) 및 샘플 및/또는 빔 위치결정 장치(예를 들어, 샘플 이동을 위한 위치결정 시스템)를 포함한다. 결합된 에너지의 시간적 변조는 다양한 기법에 의해 실현될 수 있다:

예로서, 펄스 에너지는 레이저 제어 유닛에 의해 직접 시간적으로 변조될 수 있다.

펄스 에너지의 시간적 변조는 또한 레이저 제어 유닛의 외부 신호 송신기(예를 들어, 함수 발생기)를 통해 사전 정의되거나 외부 디바이스(예를 들어, 셔터, 전기/음향-광학 변조기)에 의해 실현될 수 있다.

시간적 변조는, 예를 들어 변형 가능한 미러 또는 TAG 렌즈에 의한, 시간적으로 주기적인 수차에 의해 간접적으로 생성될 수 있다.

또한, 반복률의 변조는, 예를 들어 음향-광학 변조기에 의해 실현될 수 있다.

대안적으로, 레이저 펄스 지속기간은 또한 내부적으로/외부적으로 변조될 수 있다.

적용 가능한 한, 예시적인 실시예에서 제시된 모든 개별적인 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 서로 조합되고/되거나 상호교환될 수 있다.

10 레이저 펄스
12 포락선
14 중첩된 변조
100 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 디바이스
110 레이저 빔
112 광학 유닛
114 레이저 소스
116 액시콘
118 외부 신호 송신기
20 공작물
22 제2 공작물
200 공작물의 밑면
220 제2 공작물의 상단 면
30 레이저 스팟
4 프로세스 구역
E 에너지
t 시간
t1 시간 간격
t2 시간 간격
t3 시간 간격
t4 시간 간격
d1 펄스 지속기간
d2 펄스 지속기간
d3 펄스 지속기간
d4 펄스 지속기간
V 피드 속도
P 펄스 일시정지
F 변조 주파수
X 피드 방향

Claims

적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위한 방법으로서, 초단파 펄스 레이저 빔(110)을 상기 적어도 하나의 공작물(20, 22)의 프로세스 구역(4)에 인가하는 단계를 포함하고,
상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 상기 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는 시간적으로 변조되고,
재료 내의 개개의 레이저 펄스의 중첩 및 재료에서 레이저 펄스의 공간적으로 분리된 충격을 통해 공작물(20, 22)의 재료에 도입된 수정(modification)이 생성되며,
상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)은 공작물(20, 22)에 대해 변위되고,
레이저 펄스들이 공간적으로 중첩되는 방식으로 공작물(20, 22) 내로 도입되어, 공작물(20, 22)에서의 열 축적 정도의 변조가 달성되고, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지의 시간적 변조는 이러한 변조 없이 수행된 프로세스에 비해 공작물(20, 22)의 재료에 생성된 열 응력을 감소시키며,
레이저 펄스들이 공간적으로 분리된 스팟으로서 공작물(20, 22) 내로 도입되어, 상기 결합된 에너지의 대응하는 시간적 변조를 통해, 정의된 균열 가이던스(crack guidance)가 달성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 상기 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는, 레이저 펄스, 펄스 트레인, 또는 레이저 펄스 및 펄스 트레인 당 일정한 에너지로, 레이저 펄스들(10) 사이, 펄스 트레인들 사이, 또는 레이저 펄스들(10) 사이 및 펄스 트레인들 사이의 시간 간격(t1, t2, t3, t4)의 변조에 의해 시간적으로 변조되고, 반복률은 10 kHz 내지 1 GHz로 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 상기 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는 레이저 펄스(10)의 펄스 지속기간(d1, d2, d3)의 변조에 의해 시간적으로 변조되고, 펄스 지속기간은 0.1 ps 내지 20 ps로 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 상기 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는, 연속적인 레이저 펄스들(10) 또는 펄스 트레인들 중 적어도 하나 사이에 일정한 시간 간격을 두고, 상기 연속적인 펄스들(10) 또는 상기 펄스 트레인들 중 적어도 하나의 에너지 또는 에너지 분포 중 적어도 하나의, 0.01 Hz 내지 2.5 kHz의, 변조에 의해 시간적으로 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 상기 프로세스 구역에 결합된 에너지는, 펄스 일시정지(P)에 의해, 또는 0.05 ms 내지 5 ms의 펄스 일시정지에 의해, 시간적으로 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)을 생성하는 레이저 빔 소스(114)의 제어 유닛에 의해, 상기 레이저 펄스들의 펄스 에너지, 펄스 지속기간(d1, d2, d3), 또는 펄스 트레인의 길이 중 적어도 하나는 시간적으로 변조되고, 상기 변조는, 내부 신호 송신기 또는 외부 신호 송신기(118) 중 적어도 하나를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 상기 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지는, 셔터, 음향-광학 변조기, 또는 음향-광학 편향기 중 적어도 하나에 의해 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 펄스 레이저 빔에 의해 상기 프로세스 구역에 결합된 에너지는, 변형 가능한 미러 또는 TAG 렌즈 중 적어도 하나에 의한, 수차의 시간적 변조에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공작물을 프로세싱하기 위해 베셀 빔 형상을 갖는 초단파 펄스 레이저 빔(110)이 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공작물(20, 22)을 프로세싱하기 위해, 상기 프로세스 구역(4)에서, 서로에 대해 길이방향으로, 서로에 대해 측방향으로, 또는 서로에 대해 길이방향으로 그리고 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 적어도 2개의 빔 프로파일, 또는 서로에 대해 길이방향으로, 서로에 대해 측방향으로, 또는 서로에 대해 길이방향으로 그리고 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 적어도 2개의 가우시안 프로파일을 갖는, 초단파 펄스 레이저 빔(110)이, 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
적어도 하나의 공작물(20, 22)을 프로세싱하기 위한 디바이스(100)로서, 초단파 펄스 레이저 빔(110)을 생성하기 위한 레이저 소스(114), 및 상기 적어도 하나의 공작물(20, 22) 내의 프로세스 구역(4)에 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)을 인가하기 위한 광학 유닛을 포함하고,
상기 레이저 소스(114)는 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)을 시간적으로 변조하도록 구성되고,
재료 내의 개개의 레이저 펄스의 중첩 및 재료에서 레이저 펄스의 공간적으로 분리된 충격을 통해 공작물(20, 22)의 재료에 도입된 수정이 생성되며,
상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)은 공작물(20, 22)에 대해 변위되고,
레이저 펄스들이 공간적으로 중첩되는 방식으로 공작물(20, 22) 내로 도입되어, 공작물(20, 22)에서의 열 축적 정도의 변조가 달성되고, 상기 초단파 펄스 레이저 빔(110)에 의해 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지의 시간적 변조는 이러한 변조 없이 수행된 프로세스에 비해 공작물(20, 22)의 재료에 생성된 열 응력을 감소시키며,
레이저 펄스들이 공간적으로 분리된 스팟으로서 공작물 내로 도입되어, 상기 프로세스 구역(4)에 결합된 에너지의 대응하는 시간적 변조를 통해, 정의된 균열 가이던스가 달성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 디바이스(100).
제11항에 있어서, 상기 레이저 소스(114)는 내부 신호 송신기 또는 외부 신호 송신기(118) 중 적어도 하나에 의해 시간적으로 변조되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(100).
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 레이저 소스(114)와 상기 프로세스 구역(4) 사이에, 액시콘(Axicon)(116), 회절 광학 요소, 음향-광학 변조기, 또는 음향-광학 편향기 중 적어도 하나가 배열되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(100).