本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，其用于激光射束的射束成形并且尤其用于用于加工對(duì)于激光射束來(lái)說(shuō)很大程度上透明的材料的激光射束的射束成形。本發(fā)明還涉及一種用于射束成形的方法。

背景技術(shù)：

使用光的吸收來(lái)加工工件的可行方案、尤其通過(guò)將局部化的改性引入到工件中，是多種多樣的。因此，所謂的體積吸收、即不局限到表面上的吸收提出加工對(duì)于激光射束來(lái)說(shuō)很大程度透明的、脆硬的材料的可行方案。一般地，體積吸收通過(guò)一種非線性吸收來(lái)促進(jìn)，在該非線性吸收中僅在與材料有關(guān)的(閾值)強(qiáng)度的情況下進(jìn)行與材料的相互作用。

在這里，非線性吸收理解為光的與強(qiáng)度有關(guān)的吸收，該吸收基本不基于光的直接吸收。代替地，所述吸收基于在與入射光(主要是在時(shí)間方面被限制的激光脈沖)的相互作用期間的吸收的增加。在此，電子可以通過(guò)逆軔致輻射接收如此多的能量，使得通過(guò)碰撞釋放其他電子，使得電子產(chǎn)生速率超過(guò)重組速率。在一定條件下，對(duì)于雪崩式吸收所需的起始電子在開始時(shí)已經(jīng)存在或者通過(guò)存在的剩余吸收借助線性吸收產(chǎn)生。例如在納秒激光脈沖中，初始離子化可以導(dǎo)致溫度升高，由于該溫度升高自由電子的數(shù)量增加并且由此接下來(lái)的吸收增加。在其他條件下，這種起始電子可以通過(guò)多光子化或隧道離子化作為用于公知的非線性吸收機(jī)理的示例而產(chǎn)生。在具有例如納秒以下級(jí)脈沖持續(xù)時(shí)間的超短激光脈沖的情況下，可以使用電子的雪崩式產(chǎn)生。

體積吸收可以在對(duì)于激光射束來(lái)說(shuō)很大程度上透明的材料(這里簡(jiǎn)稱為透明材料)中用于在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)域中形成材料的改性。這種改性能夠?qū)崿F(xiàn)材料的分離、鉆孔或結(jié)構(gòu)化。為了分離，例如可以產(chǎn)生成排的改性，該改性觸發(fā)沿所述改性或在所述改性內(nèi)部的斷裂。此外公知的是，為了分離、鉆孔和結(jié)構(gòu)化而產(chǎn)生改性，該改性能夠?qū)崿F(xiàn)改性區(qū)域的選擇性蝕刻(sle：selectivelaseretching)。

拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)域的產(chǎn)生可以借助變跡的貝塞爾射束(在這里也被稱為類貝塞爾射束)實(shí)現(xiàn)。這種射束特性可以例如通過(guò)軸棱鏡或空間光調(diào)制器(slm：spatiallightmodulator)和具有高斯射束特性的入射激光射束來(lái)形成。隨后到透明工件中的成像導(dǎo)致用于體積吸收所需的強(qiáng)度。類貝塞爾射束(例如貝塞爾射束)通常具有在處于工件中的射束特性的遠(yuǎn)場(chǎng)中的環(huán)形強(qiáng)度分布。例如以slm來(lái)計(jì)算用于類貝塞爾射束的射束成形的相位曲線在leach等人的“generationofachromaticbesselbeamsusingacompensatedspatiallightmodulator”,opt.express14，5581-5587(2006)中說(shuō)明。

此外，公知例如借助多聚焦透鏡用于形成成排的強(qiáng)度提高的布置。在此，在遠(yuǎn)場(chǎng)中、即在聚焦時(shí)使待聚焦的激光射束的相位受到影響，該相位影響導(dǎo)致聚焦區(qū)的縱向偏移。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開文獻(xiàn)的一方面的任務(wù)是，說(shuō)明一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用于制定的體積吸收的射束成形。所述任務(wù)尤其是，為了加工透明的材料提供沿射束擴(kuò)展方向拉長(zhǎng)的、細(xì)長(zhǎng)的、具有用于激光加工應(yīng)用的高縱橫比的射束特性(strahlprofil)。

所述任務(wù)中的至少一個(gè)任務(wù)通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)、根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光加工設(shè)備、通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于激光射束的射束成形的方法和通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于激光材料加工的方法解決。擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。

在一方面中，公開一種用于激光射束的射束成形的光學(xué)系統(tǒng)，用于通過(guò)使材料在沿傳播方向拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中改性來(lái)加工尤其透明材料。光學(xué)系統(tǒng)具有射束成形元件，該射束成形元件構(gòu)造用于接收具有橫向輸入強(qiáng)度特性的激光射束并且在橫向輸入強(qiáng)度特性上給激光射束施加進(jìn)行射束成形的相位曲線(phasenverlauf)。此外，光學(xué)系統(tǒng)具有近場(chǎng)光學(xué)器件，該近場(chǎng)光學(xué)器件以相對(duì)于射束成形元件的射束成形距離布置在射束下游并且構(gòu)造用于使激光射束聚焦到聚焦區(qū)中。在此，所施加的相位曲線使得激光射束配屬有拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的處于射束成形元件前面的虛擬光學(xué)圖像，并且射束成形距離相應(yīng)于激光射束的傳播長(zhǎng)度，在該傳播長(zhǎng)度中，所施加的相位曲線將橫向輸入強(qiáng)度特性轉(zhuǎn)化為在近場(chǎng)光學(xué)器件區(qū)域中的橫向輸出強(qiáng)度特性該輸出強(qiáng)度特性與輸入強(qiáng)度特性相比具有處于射束軸線外部的局部最大值。

在另一方面中，公開一種用于激光射束的射束成形的光學(xué)系統(tǒng)，用于通過(guò)使材料改性來(lái)加工尤其透明的材料。光學(xué)系統(tǒng)具有射束成形元件和近場(chǎng)光學(xué)器件，該射束成形元件用于將反類貝塞爾射束類型的射束特性和/或反類艾里射束類型的射束特性的相位曲線施加到激光射束上，所述近場(chǎng)光學(xué)器件用于聚焦經(jīng)相位施加的射束。相位曲線這樣選擇，使得經(jīng)相位施加的射束的聚焦形成具有沿激光射束的傳播方向拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的反類貝塞爾射束類型的射束特性和/或反類艾里射束類型的射束特性，其中，尤其僅入射激光射束的中央?yún)^(qū)域?qū)L(zhǎng)拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的處于射束下游的末端有貢獻(xiàn)。

在另一方面中，用于借助激光射束通過(guò)在沿激光射束的傳播方向拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的材料的改性來(lái)加工尤其透明的材料的激光加工設(shè)備具有激光射束源、上述形式的光學(xué)系統(tǒng)以及用于支承作為待加工工件的材料的工件支承單元。

在另一方面中，公開一種用于激光射束的射束成形的方法，該激光射束具有橫向輸入強(qiáng)度特性，該激光射束用于通過(guò)在沿傳播方向拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的材料的改性來(lái)加工尤其透明的材料。所述方法包括步驟：將進(jìn)行射束成形的相位曲線施加到橫向輸入強(qiáng)度特性上，其中，所施加的相位曲線使得激光射束配屬有拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的虛擬光學(xué)圖像。此外，所述方法包括在射束成形距離上傳播激光射束的步驟，在該步驟之后，所施加的相位曲線將橫向輸入強(qiáng)度特性轉(zhuǎn)化為橫向輸出強(qiáng)度特性，使得橫向輸出強(qiáng)度特性與輸入強(qiáng)度特性相比具有處于射束軸線外部的局部最大值。此外，所述方法包括將激光射束聚焦到聚焦區(qū)中的步驟，用于形成基于輸出強(qiáng)度特性的近場(chǎng)。

在另一方面中，公開一種用于尤其透明的材料的激光材料加工的方法，所述激光材料加工借助激光射束通過(guò)使材料改性進(jìn)行，所述方法具有以下步驟：通過(guò)激光射束的相位調(diào)制產(chǎn)生具有沿傳播方向拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的反類貝塞爾射束類型的激光射束特性和/或反向加速的射束的激光射束特性，在這里也稱為類艾里射束類型的激光射束特性；將拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)至少部分地定位在待加工的材料中。

在另一方面中，公開一種反類貝塞爾射束類型的射束特性和/或反類艾里射束類型的射束特性的使用，用于尤其透明的材料的激光材料加工，所述激光材料加工通過(guò)在反類貝塞爾射束類型的射束特性和/或反類艾里射束類型的射束特性的拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)內(nèi)部的材料的改性來(lái)進(jìn)行。在此，反類貝塞爾射束類型的射束特性和/或反類艾里射束類型的射束特性的特征例如可以是在這里作為特性公開的特征中的一個(gè)或多個(gè)特征，尤其可以是虛擬圖像在射束成形元件之前的配屬、與相對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)射束相比相反的徑向幅度/強(qiáng)度曲線以及聚焦區(qū)的末端的基本上固定的位置。

附圖說(shuō)明

在這里公開的方案允許改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的至少部分方面。參照附圖尤其由實(shí)施方式的下述描述得出其他特征和其適用性。由附圖示出：

圖1用于激光射束的射束成形的光學(xué)系統(tǒng)的示意性示圖，

圖2具有根據(jù)圖1的光學(xué)系統(tǒng)的用于材料加工的激光加工裝置的示意性示圖，

圖3光學(xué)系統(tǒng)的用于闡釋光學(xué)作用原理的示意性示圖，

圖4在虛擬光學(xué)圖像成像之后在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的縱向強(qiáng)度分布的示例，

圖5在圖4中示出的縱向強(qiáng)度分布的zr截面圖，

圖6根據(jù)圖4和5對(duì)于透明材料在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的改性的示例性實(shí)驗(yàn)研究，

圖7用于闡述實(shí)際的強(qiáng)度提高的產(chǎn)生和成像的示意性示圖，

圖8在根據(jù)圖7的實(shí)際的強(qiáng)度提高的成像之后在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的縱向強(qiáng)度分布的示例，

圖9基于空心椎軸棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)的第一示例的示意性示圖，

圖10基于空心椎軸棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)的第二示例的示意性示圖，

圖11a和圖11b用于基于反射式軸棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)的示例的示意性示圖，

圖12基于空間光調(diào)制器的光學(xué)系統(tǒng)的示例的示意性示圖，

圖13基于透射衍射的光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)的示例的示意性示圖，

圖14在根據(jù)圖13光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光學(xué)元件中的相位曲線的示例的示意性示圖，

圖15在根據(jù)圖13的光學(xué)系統(tǒng)中的輸出強(qiáng)度特性的示例性強(qiáng)度橫截面圖，

圖16在圖15中示出的強(qiáng)度橫截面圖的輸出強(qiáng)度特性的xy俯視圖，

圖17具有未相位調(diào)制的射束分量(strahlanteil)的過(guò)濾的光學(xué)系統(tǒng)的示例的示意性示圖，

圖18具有用于分離相位調(diào)制的射束分量的線性相位值的基于衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)的示例的示意性示圖，

圖19具有掃描設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的示例的示意性示圖，

圖20用于闡釋光學(xué)系統(tǒng)的成像系統(tǒng)的示意性示圖，

圖21用于闡釋光學(xué)系統(tǒng)在收斂的激光射束入射的情況下的示意性示圖，

圖22用于闡釋具有發(fā)散自適應(yīng)性的光學(xué)系統(tǒng)的示意性示圖，

圖23在用于產(chǎn)生平頂強(qiáng)度特性的光學(xué)系統(tǒng)中的輸出強(qiáng)度特性的示例性強(qiáng)度橫截面，

圖24在圖23中示出的強(qiáng)度橫截面圖的輸出強(qiáng)度特性的xy俯視圖，

圖25由圖23和24的輸出強(qiáng)度特性得出的縱向強(qiáng)度分布的示例，

圖26根據(jù)圖25對(duì)于透明材料在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的改性的示例性實(shí)驗(yàn)研究，

圖27在使用多焦點(diǎn)近場(chǎng)光學(xué)器件的情況下的縱向強(qiáng)度分布的示例，

圖28用于通過(guò)用于使用在根據(jù)圖13的光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光學(xué)元件來(lái)產(chǎn)生反類艾里射束類型的射束形狀的相位曲線的示例的示意性示圖，

圖29根據(jù)圖28用于產(chǎn)生反類艾里射束類型的射束形狀的輸出強(qiáng)度特性的示例性強(qiáng)度橫截面，

圖30在圖29中示出的強(qiáng)度橫截面的輸出強(qiáng)度特性的xy俯視圖，

圖31對(duì)于以根據(jù)圖28的相位曲線而產(chǎn)生的反類艾里射束類型的射束形狀的在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中的縱向強(qiáng)度分布的示例，

圖32用于結(jié)合實(shí)際強(qiáng)度提高的成像來(lái)闡釋虛擬圖像的成像的示意性示圖，

圖33a到圖33d反類貝塞爾射束在從射束成形元件向近場(chǎng)光學(xué)器件傳播時(shí)的射束特性，以及

圖34用于闡明圖33a到33d的射束特性的位置的沿著射束軸線z的截面的幅度曲線。

具體實(shí)施方式

在這里所描述的方面部分地基于以下認(rèn)知：由于在激光加工時(shí)所需的高強(qiáng)度在預(yù)處理激光射束期間可能已經(jīng)存在導(dǎo)致光學(xué)元件的損壞的強(qiáng)度。考慮到此還認(rèn)識(shí)到，在工件中的拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的產(chǎn)生可能基于虛擬射束特性的成像。通過(guò)該虛擬射束特性的成像的方案可以在光學(xué)系統(tǒng)中減小或甚至避免具有強(qiáng)度峰值的區(qū)域。還認(rèn)識(shí)到，可以將配屬給虛擬射束特性的相位曲線施加給激光射束，該相位曲線使遠(yuǎn)場(chǎng)中的強(qiáng)度分布發(fā)生所期望的變化。尤其認(rèn)識(shí)到，通過(guò)歸結(jié)于這種虛擬的射束特性的遠(yuǎn)場(chǎng)分布、例如反類貝塞爾射束類型(inversequasi-bessel-strahl-aritge)和/或反類艾里射束類型(inversequasi-airy-strahl-aritge)的強(qiáng)度曲線可以在同一聚焦區(qū)中產(chǎn)生特定設(shè)計(jì)的強(qiáng)度曲線和特別的疊加。在這種強(qiáng)度曲線中可以發(fā)生到聚焦區(qū)中的橫向的能量引入，這尤其允許透明材料的加工。還認(rèn)識(shí)到，與用于實(shí)際的強(qiáng)度提高的成像的系統(tǒng)相比，虛擬射束特性的成像的方案可能導(dǎo)致這種光學(xué)系統(tǒng)的較短的結(jié)構(gòu)形狀。

拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)在這里涉及通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)確定的三維強(qiáng)度分布，該強(qiáng)度分布在待加工的材料中確定相互作用的空間尺寸和由此改性的空間尺寸。因此，拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)確定拉長(zhǎng)區(qū)域，在該拉長(zhǎng)區(qū)域中，注量(fluenz)/強(qiáng)度存在于待加工的材料中，所述注量/強(qiáng)度大于與加工/改性相關(guān)的閾值注量(schwellenfluenz)/閾值強(qiáng)度。通常地，如果在目標(biāo)閾值強(qiáng)度方面的三維強(qiáng)度分布的特征是至少10:1、例如20:1以及更大或者30:1以及更大的縱橫比(沿?cái)U(kuò)展方向的延展與橫向延展的比例)，則指的是拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)。這種拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)可以導(dǎo)致具有類似的縱橫比的材料的改性。在一些實(shí)施方式中，例如也可以形成沿?cái)U(kuò)展方向彼此平行走向的聚焦區(qū)，所述聚焦區(qū)中的每個(gè)聚焦區(qū)具有相應(yīng)的縱橫比。一般地，在這種縱橫比中，在聚焦區(qū)上的(有效)強(qiáng)度分布的橫向延展的最大改變處于50％以及更小的區(qū)域中、例如20％以及更小的區(qū)域中、例如處于10％以及更小的區(qū)域中。

在此，可以在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中在基本上整個(gè)長(zhǎng)度上給引起的改性橫向地輸送能量。這導(dǎo)致，在改性區(qū)的初始區(qū)域中的材料的改性不具有或者至少幾乎不具有對(duì)激光射束的如下部分的屏蔽效應(yīng)，該部分引起在射束下游(即例如在改性區(qū)的末端區(qū)域中)的材料的改性。在這種意義上，高斯射束不能產(chǎn)生可比較的拉長(zhǎng)的聚焦，因?yàn)槟芰枯斔突旧峡v向地并且不橫向地進(jìn)行。

對(duì)于激光射束來(lái)說(shuō)很大程度上透明的材料的透明性在這里涉及線性吸收。對(duì)于低于閾值注量/閾值強(qiáng)度的光來(lái)說(shuō)，對(duì)于激光射束來(lái)說(shuō)很大程度上透明的材料例如在直至改性的后末端的長(zhǎng)度上吸收入射光的例如小于20％或甚至小于10％。

在這里所述的方面部分地還基于以下認(rèn)知：通過(guò)有針對(duì)性的射束成形、例如借助衍射光學(xué)元件(doe)，可以制定(maβschneidern)在材料中由于非線性吸收而產(chǎn)生的自由電子密度。沿著由此產(chǎn)生的改性可以有針對(duì)性地引導(dǎo)裂紋形成，該裂紋形成然后導(dǎo)致工件的分離。

在這里所述的方面部分地還基于以下認(rèn)知：對(duì)于doe，在相位掩模的相位曲線中可以例如在相應(yīng)的部段(segment)中設(shè)置多個(gè)相位曲線。由此尤其可以在多個(gè)這種虛擬圖像(沿縱向或橫向方向)的成像疊加時(shí)使用虛擬光學(xué)圖像、例如反類貝塞爾射束形式的射束形狀的方案的優(yōu)點(diǎn)，由此多個(gè)成像的相互作用(例如干涉)和空間態(tài)勢(shì)(konstellation)也可以具有對(duì)共同的聚焦區(qū)的成形的影響。此外看出，由此產(chǎn)生不對(duì)稱的“共同的”聚焦區(qū)，該聚焦區(qū)例如在材料加工時(shí)產(chǎn)生用于確定的進(jìn)給方向或確定的分離方向的優(yōu)先(vorzug)。此外看出，這種優(yōu)先方向通過(guò)doe在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的取向/轉(zhuǎn)動(dòng)在激光加工過(guò)程中適配到期望的加工軌跡上。對(duì)于數(shù)字相位掩模(slms等)還可以進(jìn)行相位曲線的直接操控，以便跟蹤優(yōu)先方向。

在這里所述的方面部分地還基于以下認(rèn)知：通過(guò)使用doe可以將附加的相位曲線施加到射束上，該相位曲線例如簡(jiǎn)化作為依據(jù)的光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造和/或有效射束分量(nutzstrahlanteil)的隔離。

換言之，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在一些實(shí)施方式中通過(guò)光學(xué)器件方案至少部分取消，在該光學(xué)器件方案中，處于工件區(qū)域中、沿?cái)U(kuò)展方向拉長(zhǎng)的射束特性通過(guò)所產(chǎn)生的虛擬射束特性的成像而實(shí)現(xiàn)。此外，在一些實(shí)施方式中，所述光學(xué)器件方案既允許在射束特性的傅里葉平面(fourier-ebene)的區(qū)域內(nèi)的對(duì)于不期望的射束分量的過(guò)濾可行方案，又允許射束成形與聚焦的分隔。

由該認(rèn)知所得出的系統(tǒng)和方法還能夠?qū)崿F(xiàn)以高速度和在切割棱邊的良好質(zhì)量的情況下分離透明的、脆硬的材料。此外，這種系統(tǒng)和方法可以允許在沒有如在切除方法中產(chǎn)生的圓錐角的情況下的分離。尤其在基于不切除的改性的分離中，也可以不產(chǎn)生切除部或僅產(chǎn)生小的切除部，其結(jié)果是，材料在加工后僅具有在表面上的少許顆粒。

下面參照?qǐng)D1到8一般性地闡述作為基礎(chǔ)的光學(xué)器件方案。接著闡述光學(xué)系統(tǒng)的示例實(shí)施方式，該光學(xué)系統(tǒng)一方面通過(guò)傳統(tǒng)的光學(xué)器件如透鏡和反射鏡來(lái)轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)(參見圖9到11b)，另一方面通過(guò)衍射光學(xué)元件轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)(參見圖12到16)。與圖17到22相關(guān)聯(lián)地，闡述光學(xué)系統(tǒng)與用于過(guò)濾和用于掃描的部件和方面的可組合性以及在光學(xué)系統(tǒng)中的射束走向的通常的方面。接著與圖23到32相關(guān)聯(lián)地示出用于材料加工的拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的示例性構(gòu)型，該構(gòu)型尤其能夠通過(guò)衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)。參照?qǐng)D33a到33d和34闡述反類貝塞爾射束在在光學(xué)系統(tǒng)中從射束成形元件傳播至近場(chǎng)光學(xué)器件時(shí)的射束特性和縱向幅度曲線。

圖1示出用于激光射束3的射束成形的光學(xué)系統(tǒng)1的示意性示圖，其目的是在待加工的材料9中產(chǎn)生沿傳播方向5的拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7。一般地，激光射束3通過(guò)射束參數(shù)如波長(zhǎng)、光譜寬度、時(shí)間的脈沖形狀、脈沖組的構(gòu)造、射束直徑、橫向的輸入強(qiáng)度特性、橫向的輸入相位外形、輸入發(fā)散度和/或偏振來(lái)確定。根據(jù)圖1，激光射束3被輸送給用于射束成形、即用于轉(zhuǎn)變一個(gè)或多個(gè)射束參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)1。通常地，為了激光材料加工，激光射束3近似是具有橫向高斯強(qiáng)度特性的準(zhǔn)直高斯射束，該激光射束由激光射束源11、例如超短脈沖高功率激光系統(tǒng)產(chǎn)生。所述轉(zhuǎn)變例如可以以反貝塞爾射束類型或反艾里射束類型的射束形狀實(shí)現(xiàn)。

在圖2中示出的激光加工設(shè)備21中，光學(xué)系統(tǒng)1例如可以用于材料加工。激光加工設(shè)備21具有支架系統(tǒng)23和工件支承單元25。支架系統(tǒng)23越過(guò)工件支承單元25并且承載激光系統(tǒng)11，該激光系統(tǒng)在圖2中例如集成在支架系統(tǒng)23的上橫向支架23a中。此外，光學(xué)系統(tǒng)1可沿x方向移動(dòng)地安裝在橫向支架23a上，使得兩個(gè)部件相互位置接近地布置。在替代的實(shí)施方式中，光學(xué)系統(tǒng)11例如可以設(shè)置為特有的外部單元，其激光射束3借助光導(dǎo)纖維或者作為自由射束引導(dǎo)到光學(xué)系統(tǒng)1。

工件支承單元25承載在x-y平面中延伸的工件。工件是待加工的材料9，例如是玻璃盤或者呈陶瓷或結(jié)晶的實(shí)施形式(例如藍(lán)寶石或硅)的對(duì)于所使用的激光波長(zhǎng)很大程度上透明的盤。工件支承單元25允許工件沿y方向相對(duì)于支架系統(tǒng)23的移動(dòng)，使得與光學(xué)系統(tǒng)1的可移動(dòng)性相結(jié)合地可以使用在xy平面中延伸的加工區(qū)域。

此外，根據(jù)圖2設(shè)置例如光學(xué)系統(tǒng)1或橫向支架23a的沿z方向的可移動(dòng)性，以便可以調(diào)節(jié)相對(duì)于工件的距離。對(duì)于沿z方向走向的截面來(lái)說(shuō)，激光射束通常也沿z方向(即法向地)指向工件。但是可以提供其他加工軸線，如在圖2中示例性地通過(guò)懸臂裝置27和附加的旋轉(zhuǎn)軸線29表明。相應(yīng)地，懸臂裝置27在根據(jù)圖2的實(shí)施方式中是可選的。此外，可以設(shè)置冗余的附加軸線用于更高動(dòng)態(tài)，其方式是：不使工件或光學(xué)系統(tǒng)加速，而是使更緊湊的和相應(yīng)設(shè)計(jì)的部件加速。

激光加工設(shè)備21還具有在圖1中未詳細(xì)示出的控制設(shè)備，該控制設(shè)備例如集成在支架系統(tǒng)23中并且尤其具有用于由使用者輸入運(yùn)行參數(shù)的接口。通常，控制設(shè)備包括用于操控激光加工設(shè)備21的電的、機(jī)械的和光學(xué)的部件的元件，例如通過(guò)操控相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，例如泵激光功率、冷卻功率、激光設(shè)備和/或工件保持裝置的方向和速度、用于調(diào)節(jié)光學(xué)元件(例如slm)的電參數(shù)以及光學(xué)元件的(例如用于其轉(zhuǎn)動(dòng))空間取向。

用于具有不同自由度的激光加工設(shè)備的其他裝置例如在ep1688807a1中公開。通常，在小工件的情況下僅工件運(yùn)動(dòng)并且在大工件的情況下僅激光射束或者——如圖2——工件和激光射束運(yùn)動(dòng)。此外，可以由激光系統(tǒng)11提供兩個(gè)或多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)并因此提供兩個(gè)或多個(gè)聚焦區(qū)。

通過(guò)激光加工設(shè)備產(chǎn)生的在材料中的改性例如可以用于鉆孔、用于通過(guò)引起的應(yīng)力分離、用于焊接、用于實(shí)現(xiàn)折射性能的改動(dòng)或者用于選擇性的激光蝕刻。相應(yīng)地重要的是，可以合適地控制幾何形狀和改性類型。在此，除了如激光波長(zhǎng)、時(shí)間的脈沖形狀、脈沖數(shù)量、產(chǎn)生單個(gè)改性的脈沖組中的脈沖的能量和時(shí)間間距以及脈沖能量或脈沖組能量的參數(shù)之外，射束形狀也起到重要作用。

拉長(zhǎng)的體積改性尤其允許在單個(gè)加工步驟中通過(guò)沿射束擴(kuò)展方向延展變長(zhǎng)的體積區(qū)域的加工。尤其可以在沿進(jìn)給方向的一位置上在僅一個(gè)唯一的改性加工步驟中在大延展上進(jìn)行加工。通過(guò)使用在這里所述的光學(xué)系統(tǒng)、射束形狀和方法，可以一方面實(shí)現(xiàn)更好的加工結(jié)果(相比于在沿進(jìn)給方向的一位置上在相繼的改性加工步驟中相互組合的各個(gè)改性)，另一方面可以降低過(guò)程時(shí)間和對(duì)系統(tǒng)技術(shù)的要求。因此為了各個(gè)改性而產(chǎn)生多個(gè)加工步驟，所述加工步驟增大時(shí)間開銷并且要求各個(gè)改性相互間的相對(duì)位置的高開銷的保證。

此外，拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)可以在加工不平坦的材料時(shí)是有用的，因?yàn)檠刂L(zhǎng)的聚焦區(qū)主要是基本上一致的激光加工條件，使得在這種實(shí)施方式中沿?cái)U(kuò)展方向的相應(yīng)跟蹤可以變得不必需或者僅從待加工材料的位置的偏差大于拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)域的長(zhǎng)度開始(考慮需要的加工/滲透深度的情況下)才變得必需。

一般地，借助拉長(zhǎng)的體積吸收(volumenabsorption)對(duì)于透明材料的加工適用的是：一旦吸收發(fā)生，則該吸收自身或者引起的材料特性的改變可以影響激光射束的傳播。因此有利的是，基本上不引導(dǎo)如下射束分量穿過(guò)值得注意的吸收區(qū)域，所述射束分量應(yīng)引起在工件深處、即沿射束擴(kuò)展方向在射束下游的改性。

換言之，也有利的是，用于在更遠(yuǎn)的射束下游改性的射束分量以一角度輸送給相互作用區(qū)。為此的示例是類貝塞爾射束，在該類貝塞爾射束中存在環(huán)形的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，該遠(yuǎn)場(chǎng)分布的環(huán)寬度與半徑相比典型地是小的。在此，相互作用區(qū)的射束分量基本上以該角度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地輸送。這同樣適用于這里所述的反類貝塞爾射束或該反類貝塞爾射束的改性或補(bǔ)充，如均勻化的或調(diào)制的反類貝塞爾射束。另一示例是反向加速的“類艾里射束類型的”射束，在該射束中射束分量以一偏移角度輸送給改性，其中，這明顯相切地并且(不像在純類貝塞爾射束中那樣旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地)在彎曲的改性區(qū)上進(jìn)行，例如在彎曲的反類貝塞爾射束中那樣。

此外，要努力達(dá)到的是，僅在努力達(dá)到的體積區(qū)域中值得注意地超過(guò)用于非線性吸收的閾值并且如此選擇該體積區(qū)域的幾何形狀，使得該幾何形狀一方面適用于所期望的應(yīng)用，但另一方面也不明顯干擾至處于更遠(yuǎn)的射束下游的體積區(qū)域的傳播。例如可能有利的是，變跡的(apodisiert)貝塞爾射束特性的旁瓣(nebenmaxima)保持在對(duì)于非線性吸收必需的閾值強(qiáng)度以下。

考慮到沿進(jìn)給方向相繼的改性，改性的體積的幾何形狀還可以如此選擇，使得在多個(gè)改性沿進(jìn)給方向排成行的情況下之前引入的改性對(duì)隨后的改性的形成僅具有不明顯的影響。

如已經(jīng)提到，為了快速加工可以通過(guò)僅一個(gè)單個(gè)激光脈沖/一個(gè)激光脈沖組產(chǎn)生單個(gè)改性，使得在這種情況下僅一次移動(dòng)到工件上的位置。

超短脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度(功率密度)的提供，所述強(qiáng)度允許引起在相應(yīng)長(zhǎng)的相互作用區(qū)中的足夠強(qiáng)的材料改性。在此，改性的幾何延展借助射束成形如此確定，使得通過(guò)在材料中的非線性吸收產(chǎn)生長(zhǎng)延展的、高的自由電子密度。能量到較深區(qū)域中的輸送橫向地進(jìn)行，使得與高斯聚焦相比，通過(guò)之前的等離子體的相互作用防止屏蔽效應(yīng)。例如可以產(chǎn)生沿縱向方向均勻延展的電子密度或空間高頻調(diào)制的電子密度。

在相應(yīng)強(qiáng)度的情況下，可以在具有足夠高的自由電子密度的區(qū)域中出現(xiàn)材料的爆炸式的延展，其中在此產(chǎn)生的震蕩波可以產(chǎn)生納米孔(nanovoids)。用于改性(改性區(qū))的其他示例是折射率改變、壓縮的和/或拉應(yīng)力感應(yīng)的區(qū)域、微結(jié)晶以及局部的化學(xué)計(jì)量改變。

如一開始所闡述的那樣，可以通過(guò)這種沿進(jìn)給方向的改性區(qū)的堆積確定裂紋走向。在加工時(shí)工件沿經(jīng)改性的輪廓(kontur)相應(yīng)地分離。然后裂紋形成可以直接隨后進(jìn)行或者通過(guò)另一過(guò)程感應(yīng)地進(jìn)行。例如可以在分離未預(yù)受力的材料時(shí)使用超聲斜坡或溫度斜坡，以便引起沿經(jīng)改性的輪廓的之后的分離。單個(gè)改性通常不導(dǎo)致裂紋形成。

借助制定的射束形狀可以產(chǎn)生在材料中和在改性區(qū)域之間的不同應(yīng)力分布，以便使分離過(guò)程適配于給定的材料。在此，強(qiáng)烈的空間和時(shí)間梯度可以促使微米爆炸或納米爆炸的產(chǎn)生。

在此，改性幾何形狀主要通過(guò)射束成形(并且不通過(guò)例如絲狀成形(filamentation)的非線性傳播)確定?？臻g梯度的產(chǎn)生可以通過(guò)這里所述的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間梯度的產(chǎn)生可以通過(guò)脈沖序列或脈沖成形進(jìn)行。

一般地，可以通過(guò)系統(tǒng)的成像比例、尤其通過(guò)成像系統(tǒng)的近場(chǎng)光學(xué)器件的焦距和數(shù)值孔徑實(shí)現(xiàn)射束形狀的強(qiáng)度分布的縮放(skalierung)。用于縮放的其他可行方案由使用附加透鏡以及射束成形元件和/或遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件得出(參見與圖17和22有關(guān)的說(shuō)明)。由此可以影響射束特性在工件中的橫向和縱向延展。此外，在用于射束成形的射束路徑中使用空間濾光片和光圈，以便對(duì)射束進(jìn)行預(yù)處理。

在本公開的范疇內(nèi)可以使用的用于例如超短脈沖激光系統(tǒng)的示例性的激光射束參數(shù)以及光學(xué)系統(tǒng)和拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的參數(shù)是：

脈沖能量ep：1μj到10mj(例如20μj到1000μj)，

脈沖組的能量eg：1μj到10mj

波長(zhǎng)范圍：紅外(ir)、可見(vis)、紫外(uv)(例如2μm>λ>200nm；例如1550nm、1064nm、1030nm、515nm、343nm)

脈沖持續(xù)時(shí)間(fwhm)：10fs到50ns(例如200fs到20ns)

作用持續(xù)時(shí)間(取決于進(jìn)給速度)：小于100ns(例如5ps-15ns)

占空比(激光脈沖/脈沖組的作用持續(xù)時(shí)間相對(duì)于重復(fù)時(shí)間)：小于等于5％，例如小于等于1％

在進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的原始射束直徑d(1/e²)：例如在1mm到25mm的范圍內(nèi)

近場(chǎng)光學(xué)器件的焦距：3mm到100mm(例如10mm到20mm)

近場(chǎng)光學(xué)器件的數(shù)值孔徑na：0.15≤na≤0.5

材料中的射束特性的長(zhǎng)度：大于20μm

材料中的射束特性的最大橫向延展，可能沿短的方向：小于20λ

縱橫比：大于20

沿?cái)U(kuò)展方向的調(diào)制(modulation)：在聚焦區(qū)上大于10個(gè)周期

在例如用于分離應(yīng)用的兩個(gè)相鄰改性之間的進(jìn)給dv：100nm<dv<10*沿進(jìn)給方向的橫向延展

在作用持續(xù)時(shí)間期間的進(jìn)給：例如小于沿進(jìn)給方向的橫向延展的5％

在此，脈沖持續(xù)時(shí)間與激光脈沖有關(guān)并且作用持續(xù)時(shí)間與時(shí)間范圍有關(guān)，在該時(shí)間范圍內(nèi)例如用于在一部位上形成唯一的改性的一組激光脈沖與材料相互作用。在此，作用持續(xù)時(shí)間相對(duì)于當(dāng)前進(jìn)給速度是短的，使得所有激光脈沖作為一個(gè)群組有助于在一部位上的改性。

如果工件的厚度小于聚焦區(qū)的長(zhǎng)度，則聚焦區(qū)部分處于工件外部，使得可以得到比聚焦區(qū)短的改性?？梢杂欣乩眠@種情況，以便即使在改變光學(xué)器件與工件之間的距離時(shí)也穩(wěn)健地構(gòu)型加工過(guò)程。在一些實(shí)施方式中，不延伸穿過(guò)整個(gè)工件的改性是有利的。尤其可以使聚焦區(qū)在工件中的長(zhǎng)度和/或其位置適配。一般地，在此要指出的是，由于對(duì)于非線性吸收的不同閾值，具有假定一致強(qiáng)度的聚焦區(qū)會(huì)引起在不同材料中的不同大小的改性。

縱橫比涉及在待加工材料中的射束特性(聚焦區(qū))的幾何形狀以及通過(guò)射束特性所產(chǎn)生的改性的幾何形狀。在非對(duì)稱或沿橫向方向調(diào)制(例如非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的或環(huán)形的)射束特性的情況下，縱橫比通過(guò)改性的長(zhǎng)度相對(duì)于如下延展的比例確定：所述延展是在該長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)的沿最短方向的最大橫向延展。如果射束特性在此具有沿橫向方向的調(diào)制、例如在環(huán)形的射束特性的情況下，則縱橫比與最大值的寬度有關(guān)，在環(huán)形射束特性的情況下即與環(huán)厚度有關(guān)。在形成多個(gè)沿橫向方向間隔開的改性體積時(shí)，縱橫比與單個(gè)改性的橫向延展有關(guān)。在射束特性沿?cái)U(kuò)展方向調(diào)制的情況下(例如由于干涉(interferenzen))，縱橫比與上級(jí)(übergeordnet)的總長(zhǎng)度有關(guān)。

由射束成形元件和聚焦透鏡(近場(chǎng)光學(xué)器件)之間的尤其大于近場(chǎng)光學(xué)器件的焦距fn的距離d以及近場(chǎng)光學(xué)器件相對(duì)于空氣的na>0.15出發(fā)，射束成形元件的所使用的角度譜α處于tan(α)<f*na/d<na/2范圍中、并且優(yōu)選處于tan(α)>f*na/(d*4)范圍中。

前述參數(shù)范圍可以在切邊粗糙度ra例如小于1μm時(shí)允許直到例如5mm以及更大(典型地為100μm到1.1mm)的材料厚度的加工。

光學(xué)系統(tǒng)1還可以具有用于適配激光射束3的射束參數(shù)如射束直徑、輸入強(qiáng)度特性、輸入發(fā)散度和/或極化的射束預(yù)處理單元13。例如，脈沖式激光系統(tǒng)的具有例如5mm射束直徑、在波長(zhǎng)大約1030nm時(shí)6ps脈沖長(zhǎng)度的激光射束被耦合到光學(xué)系統(tǒng)1中并且被引導(dǎo)至射束成形元件31。

圖3示出光學(xué)系統(tǒng)1的示意性構(gòu)造，用于闡述作用原理。光學(xué)系統(tǒng)1基于射束成形元件31和成像系統(tǒng)33。射束成形元件31構(gòu)造用于接收激光射束3。相應(yīng)地，該射束成形元件適配于激光射束3的橫向輸入強(qiáng)度特性41。此外，射束成形元件31構(gòu)造成在橫向輸入強(qiáng)度特性41上給激光射束3施加射束成形的相位曲線43(在圖1中以虛線示意性表明)。所施加的相位曲線43使得激光射束3配屬有(基本上)拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7的處于射束成形元件31前面的虛擬光學(xué)圖像53。因此，射束成形元件31產(chǎn)生虛擬射束特性，該射束特性處于射束成形元件31的射束上游，但不相應(yīng)于實(shí)際處于那里的射束走向。

成像系統(tǒng)33如此設(shè)計(jì)，使得將虛擬的射束特性成像到激光加工設(shè)備的如下區(qū)域中，工件在加工期間定位在該區(qū)域中。在圖3中，成像系統(tǒng)為此示例性地具有沿射束方向的第一聚焦元件(在這里稱為遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a)以及沿射束方向的第二聚焦元件(在這里稱為近場(chǎng)光學(xué)器件33b)。

遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a設(shè)置在相位施加的區(qū)域中并且在圖3中示例性地在射束成形元件31的射束下游以透鏡形狀顯示。如下面所闡述，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a也可以在射束成形元件31前面不遠(yuǎn)處布置、由在射束成形元件前面和后面的部件組成和/或完全或部分集成到該射束成形元件中。

在射束成形元件31中的相位施加之后，激光射束3根據(jù)成像系統(tǒng)33傳播一射束成形距離dp直至近場(chǎng)光學(xué)器件33b。在此，射束成形距離dp相應(yīng)于激光射束3的傳播長(zhǎng)度，在該傳播長(zhǎng)度中，所施加的相位曲線43將橫向輸入強(qiáng)度特性41轉(zhuǎn)化為在近場(chǎng)光學(xué)元件33b上的橫向輸出強(qiáng)度特性51。在這里，光學(xué)系統(tǒng)中的輸出強(qiáng)度特性51包括這種橫向強(qiáng)度特性，該橫向強(qiáng)度特性通過(guò)相位施加確定。這通常最晚在近場(chǎng)光學(xué)器件前的焦距區(qū)域中或在近場(chǎng)光學(xué)器件的區(qū)域中進(jìn)行。

為了實(shí)施虛擬射束特性的方案，對(duì)于在光學(xué)系統(tǒng)中由激光射束3待經(jīng)過(guò)的傳播長(zhǎng)度(從射束成形元件31直至近場(chǎng)光學(xué)器件33b)得出下述思考。一般地，光學(xué)系統(tǒng)形成具有遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦作用和近場(chǎng)聚焦作用的成像系統(tǒng)33。后者通過(guò)近場(chǎng)光學(xué)器件33b并因此通過(guò)近場(chǎng)焦距fn確定。前者通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦作用和所屬的遠(yuǎn)場(chǎng)焦距ff確定。遠(yuǎn)場(chǎng)焦距ff可以通過(guò)獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a實(shí)現(xiàn)和/或集成到射束成形元件中。為此也參見圖20。成像系統(tǒng)33具有x比1的成像比例，其中，用于縮小虛擬圖形的x通常大于1。例如成像比例實(shí)施為大于等于1:1、例如大于等于5:1、10:1、20:1、30:1或者40:1。換言之，在該成像的定義中，系數(shù)x描述了聚焦區(qū)的橫向大小到虛擬外形的放大。角度相應(yīng)地減小。要注意的是，成像比例以二次方的形式進(jìn)入到外形的長(zhǎng)度中。相應(yīng)地，虛擬圖像的縱向長(zhǎng)度例如對(duì)于成像比例10:1以系數(shù)100縮小并且對(duì)于成像比例20:1以系數(shù)400縮小。

在成像比例為1:1時(shí)適用fn＝ff，假定重疊校正焦平面。一般地適用于ff＝xfn。如果遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a集成到射束成形元件中，則該射束成形元件處于相對(duì)于近場(chǎng)光學(xué)器件的fn+ff的距離中，即典型地處于兩個(gè)光學(xué)器件的焦距的總和的區(qū)域中。對(duì)于1:1或者縮小的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳播長(zhǎng)度由此相應(yīng)于近場(chǎng)光學(xué)器件的焦距的至少兩倍。

如果將遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a和射束成形元件31分開并且假設(shè)虛擬光學(xué)圖像不應(yīng)(尤其不在對(duì)于聚焦區(qū)重要的強(qiáng)度區(qū)域內(nèi))與射束成形元件重疊，則射束成形元件至少以距離i/2布置在虛擬射束特性53的縱向中央的射束下游。在此，長(zhǎng)度i是虛擬射束特性53關(guān)于重要強(qiáng)度區(qū)域的縱向尺寸。虛擬射束特性53的縱向中央例如處于遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a的輸入側(cè)焦平面中，該焦平面處于與近場(chǎng)光學(xué)器件33b的fn+ff的距離中。在該情況下，傳播長(zhǎng)度d＝fn+2ff–i/2＝(1+2x)fn–i/2，即小于fn+2ff＝(1+2x)fn或者換言之小于光學(xué)器件之間的距離加上ff。

對(duì)于距離d＝fn+ff＝(1+x)fn，即使在變大的射束擴(kuò)展的情況下也可以成像虛擬射束特性53的同樣變大的長(zhǎng)度i，其中，如在這里之后闡述的那樣可以保持外形的定義末端。

一般要提到的是，由于原始射束發(fā)散和收斂以及在成像系統(tǒng)有偏差的校正中可能產(chǎn)生上述考慮的偏差。相對(duì)于實(shí)際強(qiáng)度提高的可比較的成像、即具有可比較的成像比例的成像，射束成形元件更近地布置(參見對(duì)于圖7和8的相應(yīng)討論)。通常距離即處于(1+2x)fn≥d≥2fn。

通過(guò)所施加的相位，橫向輸出強(qiáng)度特性51與輸入強(qiáng)度特性41相比具有至少一個(gè)處于射束軸線45外部的局部最大值49。該處于射束軸線45外部的局部最大值49導(dǎo)致到聚焦區(qū)7中的橫向能量輸入。使射束成形元件31而定，橫向輸出強(qiáng)度特性51的局部最大值49相對(duì)于射束軸線45旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地形成——如在圖3中以剖視圖表明——或者該局部最大值可以僅在方位角的角范圍中形成(參見例如圖29和30)。一般地，射束軸線通過(guò)橫向射束特性的射束重心定義。通常可以給光學(xué)系統(tǒng)配屬光軸，該光軸通常經(jīng)過(guò)射束成形元件的對(duì)稱點(diǎn)(例如經(jīng)過(guò)doe的中央或者反射式空心錐軸棱鏡(hohlkegel-axicon)的尖端)走向。在射束旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和相應(yīng)的精確校正的情況下，射束軸線與光學(xué)系統(tǒng)的光軸可以至少區(qū)段式地一致。

局部最大值可以被視為輸出強(qiáng)度特性51的普遍性的特征，其中，尤其對(duì)于反類貝塞爾射束類型的射束形狀可以形成具有傾斜的和緩慢下降的側(cè)沿(flanke)的典型子結(jié)構(gòu)。該子結(jié)構(gòu)可以基于射束成形元件和/或遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)元件的聚焦作用在所配屬的遠(yuǎn)場(chǎng)焦平面的區(qū)域中反向。輸出強(qiáng)度特性尤其可以在該遠(yuǎn)場(chǎng)平面的區(qū)域中特別“尖銳地”示出局部最大值，或者例如在反類貝塞爾射束類型的射束形狀中，局部最大值已經(jīng)可以非?？斓卦谏涫尚卧笮纬?。但是子結(jié)構(gòu)的方面可能由于在相位施加中的各種不同可能性而改變。

虛擬射束特性的方案可以一方面減小光學(xué)系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度并且另一方面在光學(xué)系統(tǒng)1中避免具有明顯強(qiáng)度提高的拉長(zhǎng)射束特性的形成。成像系統(tǒng)33如此構(gòu)型，使得在光學(xué)系統(tǒng)1內(nèi)部構(gòu)成該虛擬射束特性的遠(yuǎn)場(chǎng)并且在近場(chǎng)光學(xué)器件33b中的聚焦可以借助普通的聚焦部件、例如透鏡、反射鏡、顯微鏡物鏡或上述器件的組合進(jìn)行。在此，“普通的”在這里在意義上應(yīng)理解為：特有的射束形狀基本上通過(guò)射束成形元件31并且不通過(guò)近場(chǎng)光學(xué)器件33b來(lái)施加。

為了說(shuō)明，在圖3中標(biāo)明射束走向，該射束走向相應(yīng)于在這里被稱為反類貝塞爾射束的射束。為此，在射束成形元件31的射束下游以實(shí)線來(lái)說(shuō)明射束走向。在射束成形元件31的射束上游，替代于入射準(zhǔn)直射束3，以虛線概要地繪出類似于實(shí)際的類貝塞爾射束的虛擬射束特性。

類似于通常的類貝塞爾射束，反類貝塞爾射束也具有在遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a的焦平面中的環(huán)結(jié)構(gòu)。但是在示意性剖視圖中表明的發(fā)散的射束區(qū)域55a、55b(所述射束區(qū)域照射到遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a上)不由“實(shí)際的”類貝塞爾射束特性產(chǎn)生，而是直接由射束成形元件31與入射激光射束3的相互作用產(chǎn)生。由于該直接相互作用，射束區(qū)域55a、55b在其橫向強(qiáng)度分布中通過(guò)激光射束3的橫向射束特性41被施加。相應(yīng)地，在沿徑向方向的高斯輸入射束中，強(qiáng)度原理上在射束區(qū)域55a、55b中從內(nèi)向外減小。由于射束區(qū)域55a、55b的發(fā)散，相應(yīng)地在射束軸線上典型地構(gòu)造用于相位調(diào)制的射束分量的較低強(qiáng)度的(在理想情況下無(wú)強(qiáng)度)區(qū)域。在此，射束分量的發(fā)散、相應(yīng)地發(fā)散的射束分量在這里也與遠(yuǎn)離射束軸線運(yùn)動(dòng)的射束分量有關(guān)。但是在該區(qū)域中未相位調(diào)制的射束和/或附加相位調(diào)制的射束分量可以疊加。在射束在光學(xué)系統(tǒng)中在形成反貝塞爾射束類型的射束的過(guò)程中的發(fā)展方面參見圖33和34。該強(qiáng)度特性在橫向強(qiáng)度區(qū)域57a和57b中示意性表明。要指出的是，沿著傳播長(zhǎng)度的強(qiáng)度曲線可以根據(jù)所施加的相位曲線43而改變。但是，在初始區(qū)域(即靠近射束成形單元31的射束區(qū)域55a、55b)中，由于主要作為純相位掩模起作用的射束成形元件31，激光射束3的入射強(qiáng)度特性對(duì)于發(fā)散的相位調(diào)制的射束分量至少占主要部分。

為了清楚地解釋反類貝塞爾射束，在圖3中還示意性地表明強(qiáng)度曲線57a’和57b’。在此假設(shè)，射束成形元件31僅影響相位并且不影響幅度?？闯龅氖牵ㄟ^(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件33a的聚焦(或射束成形元件31的相應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)作用)使強(qiáng)度曲線在光學(xué)系統(tǒng)1的輸出端處翻轉(zhuǎn)，使得在形成拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7時(shí)在射束軸線45上首先疊加低強(qiáng)度，所述低強(qiáng)度由入射高斯射束特性的下降的側(cè)沿產(chǎn)生。隨后疊加較高強(qiáng)度，所述較高強(qiáng)度由入射高斯射束特性的中間區(qū)域產(chǎn)生。為此提到，不僅要考慮在射束成形元件上的強(qiáng)度，而且也要考慮有用的面積。在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的情況下，距離相應(yīng)二次方地考慮。如尤其關(guān)于圖4闡述，縱向強(qiáng)度特性恰好終止在射束分量與輸入外形的中央相交的區(qū)域中。雖然在該中央中存在最大強(qiáng)度，但是面積接近零。此外要指出的是，在聚焦區(qū)后又存在翻轉(zhuǎn)的強(qiáng)度曲線，該強(qiáng)度曲線相應(yīng)于在射束成形元件之后的強(qiáng)度曲線57a、57b(假設(shè)與材料沒有相互作用)。

由于通過(guò)成像系統(tǒng)33的成像，相應(yīng)地關(guān)于虛擬射束形狀存在在圖3中示意性表明的入射虛擬強(qiáng)度曲線57a”和57b”，所述強(qiáng)度曲線基本上相應(yīng)于強(qiáng)度曲線57a’和57b’。

與類貝塞爾射束相比相反的該強(qiáng)度曲線引起既在聚焦區(qū)7又在虛擬的射束特性、即光學(xué)圖像53中的用于反類貝塞爾射束的特定縱向強(qiáng)度曲線，因?yàn)樵谶@里射束區(qū)域55a、55b的疊加虛擬地進(jìn)行。對(duì)于針對(duì)普通的類貝塞爾射束的相應(yīng)討論參照?qǐng)D7和8和所屬說(shuō)明。

圖4示例性地說(shuō)明在拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7中的縱向強(qiáng)度分布61，如該強(qiáng)度分布可以計(jì)算用于反類貝塞爾射束形狀的虛擬光學(xué)圖像53的成像。在z方向上是標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度i。要指出的是，根據(jù)到材料9上的正常入射(沿z方向)的擴(kuò)展方向不是強(qiáng)制的，并且如與圖2有關(guān)地闡釋的那樣，可以替代地以相對(duì)于z方向的角度實(shí)現(xiàn)該擴(kuò)展方向。

在圖4中看出在大于100微米上的首先緩慢的強(qiáng)度增長(zhǎng)61a(低(外部)強(qiáng)度的初始疊加)直到強(qiáng)度最大值，接著是劇烈的強(qiáng)度降低61b(高(中央)強(qiáng)度的疊加)。因此，對(duì)于反貝塞爾射束形狀得出沿?cái)U(kuò)展反向(在圖4中的z方向)的縱向強(qiáng)度分布的清晰的邊界。如尤其參照在圖3中示出的強(qiáng)度曲線57a’和57b’可看出，該清晰的邊界基于：縱向強(qiáng)度分布61的末端歸因于入射激光射束的射束中央值的貢獻(xiàn)，所述入射激光射束具有雖然高的強(qiáng)度但在劇烈減小(接近零)的面積上。換言之，所述末端以虛擬射束特性的成像為基礎(chǔ)，在所述射束特性中，在中部對(duì)于反類貝塞爾射束產(chǎn)生孔。在強(qiáng)度下降時(shí)在末端處的劇烈梯度以在輸入外形的中央中的高強(qiáng)度為基礎(chǔ)，但是通過(guò)消失的面積受限制。對(duì)于理想的成像系統(tǒng)，強(qiáng)度分布61的縱向尺寸通過(guò)虛擬外形的位置和成像尺度定義。如果工件還具有較高的折射率，則射束特性相應(yīng)地延長(zhǎng)。

對(duì)此要補(bǔ)充的是，在激光加工設(shè)備中的清晰的邊界導(dǎo)致，改性的沿?cái)U(kuò)展方向在前面的末端即使在入射橫向射束特性放大時(shí)基本上是沿?cái)U(kuò)展方向靜止的。改性僅在后面的區(qū)域中改變其延展，即，當(dāng)激光射束的輸入射束直徑變大時(shí)，該改性可以向著近場(chǎng)光學(xué)器件延展。因此，清晰的邊界關(guān)于工件支承件或工件本身的一次調(diào)節(jié)的位置可以避免在改性的射束下游的高強(qiáng)度。對(duì)此的區(qū)別在于，輸入射束直徑的放大在實(shí)際的強(qiáng)度提高的成像時(shí)導(dǎo)致改性沿?cái)U(kuò)展方向的延長(zhǎng)，即，例如延長(zhǎng)到工件支承件中，這可能導(dǎo)致該工件支承件的損傷。

圖5示出針對(duì)在圖4中示出的縱向強(qiáng)度分布61的在聚焦區(qū)7中的強(qiáng)度的示例性x-z截面63。要指出的是，在這里部分的灰度顯示如圖5、30和31的灰度顯示基于顏色顯示，使得可以黑暗地示出強(qiáng)度/幅度的最大值。例如聚焦區(qū)7的中央(最大強(qiáng)度)在圖5中黑暗地示出并且由較低強(qiáng)度的較明亮的區(qū)域包圍。類似地適用于在圖30和31中的聚焦區(qū)707?？煽闯鲈跈M向延展幾微米的情況下聚焦區(qū)7在幾百微米上的拉長(zhǎng)構(gòu)造。通過(guò)非線性吸收的閾值性能，這種射束特性可以在工件中引起清楚定義的拉長(zhǎng)的改性。聚焦區(qū)7的拉長(zhǎng)的形狀具有例如一縱橫比，即，聚焦區(qū)的長(zhǎng)度與在該長(zhǎng)度內(nèi)部沿橫向最短方向出現(xiàn)的最大延展的比例(后者在非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的外形的情況下)，該比例處于10:1到1000:1、例如20:1或更高、例如50:1到400:1的范圍內(nèi)。

如果消除在圖4中示出的幅度側(cè)的(amplituden-seitig)沿?cái)U(kuò)展方向未調(diào)制的反類貝塞爾射束的射束形狀，則可以通過(guò)射束成形元件31在遠(yuǎn)場(chǎng)中附加地引起幅度再分布，該幅度再分布例如可以用于沿?cái)U(kuò)展方向的強(qiáng)度調(diào)制。但是在此得出的在聚焦區(qū)7前的強(qiáng)度分布不再以非常明顯的形狀描繪出“反轉(zhuǎn)”。然而在縱向強(qiáng)度特性的初始區(qū)域和結(jié)束區(qū)域中經(jīng)常示出反向(invertierung)的開始，例如緩慢增長(zhǎng)和快速下降。此外，(相位決定的)幅度再分布可以通過(guò)射束成形元件31的相位曲線恰好準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到反向的強(qiáng)度分布上，以便引起例如一種縱向平頂強(qiáng)度特性(flat-top-)。

補(bǔ)充地，保持得到下述特征來(lái)關(guān)于“實(shí)際的”射束形狀進(jìn)行限界：在實(shí)際的高斯輸入射束的情況中，例如在實(shí)際的軸棱鏡中在近場(chǎng)光學(xué)器件與聚焦區(qū)之間存在一平面，輸入射束的縮小的高斯橫向射束特性處于該平面中并且可以相應(yīng)地使該射束特性可見。相應(yīng)的成像在虛擬光學(xué)圖像的方案中存在。但是在該情況下圖像平面處于聚焦區(qū)后面，縮小的高斯橫向射束特性處于該圖像平面中?？梢韵鄳?yīng)地使橫向射束特性可見。這一般適用于針對(duì)在這里所設(shè)想的反向射束形狀的相位掩模，當(dāng)該相位掩模通過(guò)高斯射束特性被照亮?xí)r。特別地，縮小的高斯橫向射束特性處于射束成形元件的圖像平面中并且由此一般直接處于聚焦區(qū)的射束下游。由于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的發(fā)散，因此該高斯橫向射束特性明顯大于在聚焦區(qū)中的反類貝塞爾射束類型的射束的橫向射束特性。同樣地，該射束特性在強(qiáng)度方面小得多。

可看出輸入射束的被成像的高斯橫向射束特性在射束特性的結(jié)構(gòu)的快速翻轉(zhuǎn)(umschlagen)、即在小的橫向區(qū)域上的劇烈變化處的位置。因此例如反類貝塞爾射束類型的射束處于聚焦區(qū)中。在經(jīng)過(guò)射束成形元件的圖像平面時(shí)，“近似地”立即在中央形成黑暗點(diǎn)。這在反類貝塞爾射束的情況下在聚焦區(qū)開端是不同的。在那里由于高斯射束特性的邊緣區(qū)域的增大的疊加而形成反類貝塞爾射束類型的射束的由黑暗中央至在中央中填充的橫向強(qiáng)度特性的過(guò)渡。換言之，強(qiáng)度在更大的區(qū)域上沿縱向方向增大，而該強(qiáng)度在末端減小。在末端上，所述過(guò)渡相應(yīng)清楚地尖銳地被限界。要補(bǔ)充的是，為了實(shí)際的貝塞爾射束類型的強(qiáng)度提高的成像，末端上和開端上的性能互換，即在貝塞爾射束特性的末端上較緩慢地形成黑暗點(diǎn)。

如之前所闡述，使用虛擬射束特性的方案因此對(duì)待實(shí)施的相位施加和在聚焦區(qū)域7中得到的強(qiáng)度曲線產(chǎn)生影響。

圖6說(shuō)明改性區(qū)65，該改性區(qū)在用于研究在材料中形成改性的實(shí)驗(yàn)研究的范疇內(nèi)產(chǎn)生。每個(gè)改性區(qū)65源于與一組激光脈沖、例如具有間距為大約14ns的兩個(gè)6ps的脈沖的相互作用。改性區(qū)的形狀與根據(jù)圖4和5所假設(shè)的拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7的形狀一致。最大長(zhǎng)度通過(guò)拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7的幾何形狀在所需的強(qiáng)度/注量的情況下限界。

上面四個(gè)接收(aufnahmen)說(shuō)明在脈沖組能量eg為大約20μj到40μj時(shí)的閾值性能。下面四個(gè)接收說(shuō)明拉長(zhǎng)的改性區(qū)65在脈沖組能量eg為大約30μj到200μj時(shí)的造型。在總能量eg增加時(shí)，改性區(qū)沿射束進(jìn)入(近場(chǎng)光學(xué)器件)的方向延長(zhǎng)，因?yàn)樵诰劢箙^(qū)7的更長(zhǎng)的區(qū)域中達(dá)到對(duì)于非線性吸收的閾值強(qiáng)度。改性沿射束擴(kuò)展方向的末端在其部位上基本是靜止的，也就是說(shuō)尤其沒有近場(chǎng)光學(xué)器件(33b)相對(duì)于待加工工件的距離的再修正。尤其當(dāng)在較小強(qiáng)度情況下改性閾值處于射束特性中時(shí)，在小能量的情況下，由于產(chǎn)生的沿縱向方向的梯度，出現(xiàn)后末端的最初的沿射束方向的漂移。但是該漂移在中等和高能量時(shí)減少，因?yàn)榉搭愗惾麪柹涫愋偷纳涫匦缘漠a(chǎn)生沿?cái)U(kuò)展方向具有隱含的(implizit)最大后末端。

在改性的縱向尺寸改變時(shí)的類似性能也針對(duì)入射激光射束3的徑向增大的射束直徑而得出。在這種情況下，改性區(qū)也沿射束進(jìn)入(近場(chǎng)光學(xué)器件)的方向延長(zhǎng)，因?yàn)槿肷浼す馍涫?的徑向外側(cè)附加的強(qiáng)度區(qū)域?qū)⒛芰恳龑?dǎo)到緩慢的強(qiáng)度增長(zhǎng)61a(即具有小斜度的強(qiáng)度增長(zhǎng))的區(qū)域中的縱向強(qiáng)度區(qū)域中。強(qiáng)度分布的最大值相應(yīng)地沿射束進(jìn)入的方向移動(dòng)。相反地，改性沿射束擴(kuò)展方向的末端在其位置方面基本靜止，因?yàn)樵摬课煌ㄟ^(guò)入射激光射束3的射束中部供給以能量。對(duì)此要提及的是，在改動(dòng)的反類貝塞爾射束類型的射束形狀中也可以觀察到該性能。例如對(duì)于與圖23到26相關(guān)討論的平頂射束形狀來(lái)說(shuō)，在改變射束直徑時(shí)，改性的末端的位置基本上不改變。對(duì)于這樣改變的入射強(qiáng)度特性來(lái)說(shuō)，射束成形元件還可能不再導(dǎo)致優(yōu)化的平頂結(jié)構(gòu)，使得能夠得出強(qiáng)度中的調(diào)制和可能的開端改變。

圖7用于闡述射束引導(dǎo)，在該射束引導(dǎo)中，實(shí)際的強(qiáng)度提高71通過(guò)射束成形光學(xué)器件73、例如軸棱鏡產(chǎn)生。這相應(yīng)于已知的類貝塞爾射束的形成。強(qiáng)度提高71接著通過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)75在形成聚焦區(qū)77的情況下成像到工件9中。如在圖7中示出，在這種結(jié)構(gòu)中存在危險(xiǎn)，即實(shí)際的強(qiáng)度提高71損壞望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)75的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件79，尤其當(dāng)要實(shí)現(xiàn)小結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度時(shí)。在這里所述實(shí)施虛擬圖像的方案的光學(xué)系統(tǒng)(例如參見圖3)規(guī)避了該損傷射束引導(dǎo)的光學(xué)器件的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8完整地說(shuō)明在根據(jù)圖7的結(jié)構(gòu)中得出的沿z方向的縱向強(qiáng)度分布81。在開始時(shí)的劇烈增長(zhǎng)81a之后達(dá)到強(qiáng)度最大值，在該強(qiáng)度最大值之后強(qiáng)度再下降。在低強(qiáng)度時(shí)開始緩慢減停的下降81b(小斜度的減停的下降)。看出圖4和8的縱向強(qiáng)度分布61和81的原理上的反轉(zhuǎn)，在該反轉(zhuǎn)中將在末端處的“清晰的邊界”由“清晰的開端”替代。

對(duì)于這種類貝塞爾射束，以具有入射高斯射束特性83的激光射束的透射軸棱鏡導(dǎo)致疊加的射束區(qū)域85a、85b，其強(qiáng)度權(quán)重導(dǎo)致實(shí)際的縱向強(qiáng)度分布81(首先是高斯射束特性83的中央?yún)^(qū)域的強(qiáng)度的疊加，然后是高斯射束特性83的低(外部)強(qiáng)度的疊加)。為了闡述，又示意性地表明在遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件79的射束下游的強(qiáng)度曲線87a和87b和在聚焦區(qū)77的射束上游的強(qiáng)度曲線87a’和87b’。

下面闡述光學(xué)系統(tǒng)的不同示例性的配置，所述光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施虛擬的強(qiáng)度提高的方案。所述配置包括透射式和反射式射束成形元件，其中，相位曲線的施加尤其折射、反射或衍射地進(jìn)行。已述部件如激光系統(tǒng)11參見前面的說(shuō)明。

考慮到射束成形光學(xué)器件73與近場(chǎng)光學(xué)器件的距離，可以類似地給用于虛擬圖像的思考假設(shè)下述值。在實(shí)際的射束特性中，長(zhǎng)度i的待成像的實(shí)際射束特性的中部典型地處于遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的輸入側(cè)的焦距中。典型的距離至少是fn+2ff+i/2＝(1+2x)fn+i/2，即大于fn+2ff，或者換言之，大于光學(xué)器件之間的距離加上ff。

圖9示出借助空心錐軸棱鏡131a的折射的射束成形。該空心錐軸棱鏡產(chǎn)生在空心錐軸棱鏡131a的射束上游的虛擬反類貝塞爾射束特性153a。該空心錐軸棱鏡在圖9中通過(guò)虛線表明，實(shí)際的強(qiáng)度提高不存在于該區(qū)域中。此外，在根據(jù)圖9的實(shí)施方式中，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件沿射束擴(kuò)展方向在空心錐軸棱鏡131a的射束下游實(shí)施為平凸透鏡133a。近場(chǎng)光學(xué)器件33b引起激光射束到聚焦區(qū)7中的聚焦，使得虛擬反類貝塞爾射束特性153a作為聚焦區(qū)7的虛擬光學(xué)圖像配屬給激光射束。

圖10示出具有空心錐軸棱鏡-透鏡系統(tǒng)131b的實(shí)施方式，該空心錐軸棱鏡-透鏡系統(tǒng)作為折射式射束成形元件而使用。在此，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件作為凸的透鏡面133b集成到射束成形元件中，該透鏡面布置在空心錐軸棱鏡的輸入側(cè)上。該結(jié)構(gòu)同樣產(chǎn)生虛擬反類貝塞爾射束特性153b。

圖11a說(shuō)明具有反射式射束成形元件——尤其反射式軸棱鏡-反射鏡系統(tǒng)131c——的實(shí)施方式。射束成形元件的高反射性的表面如此成形，使得反射軸棱鏡的射束成形特性與起聚焦作用的空心反射鏡的形成遠(yuǎn)場(chǎng)的部件組合。相應(yīng)地，軸棱鏡-反射鏡系統(tǒng)131c既實(shí)現(xiàn)射束成形的功能又實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的功能。虛擬的反類貝塞爾射束特性153c在軸棱鏡-反射鏡系統(tǒng)131c的背側(cè)表明，即在不由激光射束3穿過(guò)的區(qū)域中表明。

如在圖11a中還示出，激光系統(tǒng)11的激光射束3在射束適配單元13后通過(guò)轉(zhuǎn)向鏡140耦合到光學(xué)系統(tǒng)1中。轉(zhuǎn)向鏡140例如布置在軸棱鏡-反射鏡系統(tǒng)131c和近場(chǎng)光學(xué)器件33b之間的光軸上并且使射束轉(zhuǎn)向到射束成形元件131c上。在一些實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)向鏡例如可以是中央穿孔的，以便使盡可能少的光線轉(zhuǎn)向到射束成形元件131c的光學(xué)上可能有缺陷的中央?yún)^(qū)域上。除了下面關(guān)于圖17和18所述濾光方面之外在此補(bǔ)充地注明的是，轉(zhuǎn)向鏡140同時(shí)阻擋不希望的中央射束分量，使得該射束分量不通過(guò)近場(chǎng)光學(xué)器件33b聚焦。

圖11b示出基于反射式射束成形元件的光學(xué)系統(tǒng)的另一實(shí)施方式。在此，呈反射式軸棱鏡-反射鏡系統(tǒng)131c形式的射束成形元件經(jīng)過(guò)穿孔的轉(zhuǎn)向鏡140’的開口141以激光射束3被照亮。反射的和經(jīng)相位施加的射束在形成例如環(huán)形遠(yuǎn)場(chǎng)之后照射到轉(zhuǎn)向鏡140’上。該轉(zhuǎn)向鏡將射束轉(zhuǎn)向到近場(chǎng)光學(xué)器件33b上用于聚焦到拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)中。因此，開口還用作反射射束的中央?yún)^(qū)域的一種濾光片/光圈。

在具有反射式射束成形元件的另一實(shí)施方式中，光學(xué)系統(tǒng)具有反射式軸棱鏡、穿孔的離軸拋物面鏡和近場(chǎng)光學(xué)器件。反射式軸棱鏡為了射束成形具有圓錐形磨削的基體，其圓錐表面被高反射性地涂覆。激光射束可以經(jīng)過(guò)在離軸拋物面鏡中的開口射入到反射式軸棱鏡上。被反射的和經(jīng)射束成形的射束然后照射到離軸拋物面鏡上，該離軸拋物面鏡使射束轉(zhuǎn)向到近場(chǎng)光學(xué)器件33b上并且同時(shí)使其準(zhǔn)直。

圖12和13示出具有數(shù)字化的射束成形元件的光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施方式。在此，數(shù)字化可以涉及相移和/或橫向結(jié)構(gòu)(例如像素結(jié)構(gòu))的離散值的使用?？臻g光調(diào)制器(slms)的使用是通過(guò)可編程的或者固定寫入的衍射光學(xué)元件(doe)實(shí)施射束成形的多個(gè)不同可能性中的一個(gè)。

衍射光學(xué)元件除了容易產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)虛擬射束特性、例如一個(gè)或多個(gè)空心錐軸棱鏡的相應(yīng)的相位施加之外允許例如用于縱向強(qiáng)度分布的均勻化的有針對(duì)性的修改。在此，相位中的偏差關(guān)于例如空心錐軸棱鏡相位(并因此來(lái)自反類貝塞爾射束)處于小于等于50％——例如小于等于20％或小于等于10％的范圍中。一般地，與例如光刻制造的、固定寫入的does相比，slms在橫向較粗糙分辨率的情況下允許非常精細(xì)的相位改變。固定寫入的does例如具有平面平行的梯級(jí)，其厚度確定相位。在此，光刻制造允許高的橫向分辨率。雙級(jí)可以引起實(shí)際的和虛擬的相位外形。只有大于兩個(gè)的相位偏移(phasenhub)的數(shù)量可以引起在用于虛擬射束特性的優(yōu)選方向的意義上的差別。因此，四個(gè)或八個(gè)或更多個(gè)相位偏移可以允許關(guān)于虛擬射束特性的有效射束成形。但是離散化可以引起并列(nebenordnungen)，所述并列可以例如被濾出。一般地，可以將多個(gè)光學(xué)元件組合在一個(gè)doe中，其方式是：在該doe中確定所有元件的透射函數(shù)(例如空心錐軸棱鏡和透鏡)；各個(gè)相位函數(shù)的相加(exp(-li(phi1+phi2+...))。附加地或替代地，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)透射函數(shù)的一種疊加(superposition)。為了確定相位曲線開始時(shí)參照l(shuí)each等人的公開文獻(xiàn)。用于連續(xù)的微結(jié)構(gòu)的制造方法包括例如模擬光刻或納米壓印光刻。

在這里將衍射光學(xué)射束成形元件(可以是可調(diào)節(jié)的slm或固定寫入的doe)的結(jié)構(gòu)方面的、引起相位施加并且平面構(gòu)造的元件稱為相位掩模。根據(jù)doe的實(shí)施方式可以將所述元件在透射或反射中使用，以便對(duì)激光射束施加相位曲線。

在圖12中使用空間光調(diào)制器31a在反射中來(lái)進(jìn)行相位施加。空間光調(diào)制器31a例如基于“液晶覆硅”(lcos)，該液晶覆硅能夠?qū)崿F(xiàn)可對(duì)于單個(gè)像素編程的相移。空間光調(diào)制器還可以基于微系統(tǒng)(mems)、微型光電機(jī)械系統(tǒng)(moems)或微鏡矩陣系統(tǒng)。在slms中，像素例如可以電子地操控，以便在橫向輸入強(qiáng)度特性上引起特定的相位施加。電子可操控性例如能夠?qū)崿F(xiàn)相位的在線調(diào)節(jié)和由此的聚焦區(qū)7的適配，例如根據(jù)待加工的材料或?qū)す獠▌?dòng)的反應(yīng)。在根據(jù)圖12的裝置中，例如可以將用于產(chǎn)生虛擬反類貝塞爾射束特性的衍射軸棱鏡的功能與遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的形成遠(yuǎn)場(chǎng)的作用通過(guò)空間光調(diào)制器31a的相移結(jié)合起來(lái)。替代地，固定寫入的反射doe可以作為射束成形的元件31a使用。

圖13是基于doe31b的光學(xué)系統(tǒng)的示意性示圖，在該系統(tǒng)中相位施加固定地寫入到doe31b中。doe31b在這種情況下使用在入射中。如在圖12那樣，例如導(dǎo)致虛擬類貝塞爾射束特性的相移和遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的聚焦特性在doe31b中組合。

圖9到13的光學(xué)系統(tǒng)可以導(dǎo)致輸出強(qiáng)度特性，所述輸出強(qiáng)度特性相應(yīng)于反類貝塞爾射束特性并且所述輸出強(qiáng)度特性配屬有虛擬光學(xué)圖像。

圖14說(shuō)明相位曲線243的示例，如其可以例如設(shè)置在doe31b中那樣。相位曲線243是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。可看出環(huán)形相位分布，其頻率沿徑向方向調(diào)制。所述環(huán)指明旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的虛擬類貝塞爾射束特性的產(chǎn)生。頻率調(diào)制指出遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的相位分量到用于射束成形的相位曲線中的集成。在圖14中表明在±π范圍內(nèi)的相位。在替代實(shí)施方式中，也可以在doe相位掩模中實(shí)施離散的如雙或多級(jí)(例如在0到2π的相移范圍中的4個(gè)或更多個(gè)層級(jí))相位曲線。

圖15和16以強(qiáng)度橫截面(圖15)和2d俯視圖(圖16)示例性地說(shuō)明輸出強(qiáng)度特性251?？煽闯霏h(huán)形圍繞射束軸線45走向的強(qiáng)度最大值249。幾乎沒有強(qiáng)度存在于射束中央處。

在一些實(shí)施方式中，到反類貝塞爾射束中的轉(zhuǎn)變沒有完全進(jìn)行，使得例如具有高斯射束特性的未相位調(diào)制的剩余射束相應(yīng)地疊加在環(huán)形強(qiáng)度特性上。圖15示意性點(diǎn)劃線式地表明這種未相位調(diào)制的射束分量252。

在圖15中的強(qiáng)度分布的最大值249是用于局部強(qiáng)度最大值的示例，通過(guò)該強(qiáng)度最大值修改橫向輸出強(qiáng)度特性區(qū)域中的原始輸出強(qiáng)度特性(例如高斯射束特性)。環(huán)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱通過(guò)反類貝塞爾射束特性的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱引起。在替代的實(shí)施方式中，局部強(qiáng)度最大值可以限制到方位角的角區(qū)域上。此外，受方位角限制的和/或環(huán)形的局部最大值的疊加可以存在。

在使用折射式空心錐軸棱鏡(參見圖9和10)來(lái)產(chǎn)生反類貝塞爾射束類型的輸出強(qiáng)度特性時(shí)，可能在不完美的軸棱鏡的尖端以不希望的角度產(chǎn)生不希望的射束分量。即使在衍射射束成形元件中也可能出現(xiàn)不希望的射束分量。例如可能在激光射束的遠(yuǎn)場(chǎng)中存在不可忽略的未相位調(diào)制的射束分量或附加的衍射階數(shù)。

在此公開的光學(xué)系統(tǒng)由于遠(yuǎn)場(chǎng)部件的使用使濾光片的引入和形狀選擇變得容易，以便將這種起干擾作用的射束分量濾出。尤其可以容易地將這種在傅里葉平面中的不希望的射束分量從所希望的射束分量(有效射束)中分離。

參照?qǐng)D15的未相位調(diào)制的射束分量252，圖17示出示例性的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)基于在圖3中示出的光學(xué)系統(tǒng)1。但是附加地進(jìn)行在成像系統(tǒng)33的傅里葉平面的區(qū)域中的未相位調(diào)制分量的過(guò)濾。示例地，在圖17中表明在近場(chǎng)光學(xué)器件33b的射束上游的空間濾光單元220。

濾光單元220具有圍繞射束軸線45的中央?yún)^(qū)域，該中央?yún)^(qū)域例如阻擋在圖15中表明的未相位調(diào)制的射束分量252的高斯形式的強(qiáng)度分布。濾光單元220可以通過(guò)doe或slm附加地具有徑向處于外部的區(qū)段來(lái)阻擋更高階的衍射。

因此，通常設(shè)置濾光單元220用來(lái)抑制未相位調(diào)制的基本模式以及更高階的衍射以及在這里公開的不同的折射、反射或衍射的射束成形元件的散射。在輸出強(qiáng)度特性旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)通常也旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地構(gòu)造濾光單元。在一些實(shí)施方式中可以僅設(shè)置濾光單元220的單個(gè)區(qū)段或者甚至不設(shè)置過(guò)濾裝置。

衍射的射束成形元件允許另一方案(ansatz)來(lái)抑制未相位調(diào)制的射束分量。在此有針對(duì)性地施加用于使相位調(diào)制的射束分量轉(zhuǎn)向的附加相位值。

圖18示出例如一光學(xué)系統(tǒng)，在該光學(xué)系統(tǒng)中衍射式光學(xué)元件31附加地設(shè)有線性相位值。線性相位值導(dǎo)致相位調(diào)制的射束203a的轉(zhuǎn)向230。未相位調(diào)制的射束分量203b不轉(zhuǎn)向并且照射到例如濾光單元222上。

圖19示出光學(xué)系統(tǒng)的另一實(shí)施方式，該光學(xué)系統(tǒng)附加地為了實(shí)施掃描方案而利用遠(yuǎn)場(chǎng)部件的使用。通常掃描系統(tǒng)允許聚焦區(qū)7在一定區(qū)域中移動(dòng)。一般地，通過(guò)射束成形與近場(chǎng)聚焦的分離可能的是，尤其設(shè)置對(duì)于體積吸收有利的遠(yuǎn)心掃描方案。在一些實(shí)施方式中還可以調(diào)節(jié)位置和角度。相應(yīng)地，這種掃描系統(tǒng)可以允許將精細(xì)的輪廓寫入工件中。

在圖19的實(shí)施方案中，掃描鏡310布置在近場(chǎng)光學(xué)器件333b的像側(cè)焦平面中。掃描鏡310使在輸出強(qiáng)度分布區(qū)域中的激光射束轉(zhuǎn)向到在側(cè)面布置的近場(chǎng)光學(xué)器件333b中。在傅里葉平面中的轉(zhuǎn)向引起：雖然有位置偏差但是將擴(kuò)展方向保持在工件中。掃描區(qū)域本身由近場(chǎng)光學(xué)器件333b的大小確定。

如果掃描鏡310不精確地布置在近場(chǎng)光學(xué)器件333b的焦平面中或者該掃描鏡關(guān)于該焦平面運(yùn)動(dòng)，則可以由此調(diào)節(jié)拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)的取向、尤其由圖2中的z方向的角度偏差。

圖20示例性地參照根據(jù)圖13中示出的光學(xué)系統(tǒng)的配置闡述基礎(chǔ)的成像特性。光學(xué)系統(tǒng)包括射束成形元件31，該射束成形元件也充當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件并且由此通過(guò)焦距fn表征。在圖20中遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件和近場(chǎng)光學(xué)器件的焦平面相互重疊。相應(yīng)地，在圖20中虛線地表明僅一個(gè)焦平面340。在重疊的焦平面的配置中，成像系統(tǒng)在平面的波陣面入射時(shí)通常使虛擬射束形狀253成像到拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7上，例如反類貝塞爾射束特性、反向調(diào)制的或均勻化的類貝塞爾射束特性作為用于反向準(zhǔn)貝塞爾/艾里射束類型的射束形狀的示例。

然而焦平面不必總是相互重疊。例如成像系統(tǒng)可以適配于預(yù)給定的射束發(fā)散度，但是激光射束3以另一發(fā)散度入射。在這種情況下，拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7總是配屬有處于射束成形元件前面的虛擬光學(xué)圖像，但是不必存在完美的成像。類似的情況可以在成像系統(tǒng)的有意的誤差校正、例如與掃描設(shè)備有關(guān)地得出。

圖20還說(shuō)明概念“遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件”和“近場(chǎng)光學(xué)器件”。遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件產(chǎn)生虛擬射束走向253在遠(yuǎn)場(chǎng)焦距ff區(qū)域中的遠(yuǎn)場(chǎng)。如前面已經(jīng)闡述的那樣，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件可以在其功能中分配，例如由一個(gè)或多個(gè)在射束成形元件前和/或后并且與該射束成形元件間隔開布置的部件構(gòu)成和/或集成到射束成形元件中。近場(chǎng)光學(xué)器件以較小焦距fn使射束向著工件聚焦并因此形成聚焦區(qū)。因此，不僅虛擬射束特性53關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的遠(yuǎn)場(chǎng)而且聚焦區(qū)7關(guān)于近場(chǎng)光學(xué)器件33b的遠(yuǎn)場(chǎng)存在于焦平面340的區(qū)域中。

即使在不完美的成像中(例如遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)光學(xué)器件的焦平面不重疊)，基本上可以在聚焦區(qū)中存在可接受的強(qiáng)度曲線，因?yàn)檎丈涞浇鼒?chǎng)光學(xué)器件上的強(qiáng)度特性僅稍微改變。

例如在反類貝塞爾射束形狀的情況下，第一聚焦通過(guò)在成像系統(tǒng)中的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件引起環(huán)大小在近場(chǎng)光學(xué)器件上的適配。就此而言，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件具有對(duì)在附圖中表明的環(huán)直徑的聚焦作用，直至一種中間焦點(diǎn)變小。

圖21闡釋在用于下述情況的光學(xué)系統(tǒng)中的射束走向：收斂的激光射束3’照射到射束成形元件31上。激光射束的相位調(diào)制的分量303a聚焦到延展的聚焦區(qū)7上。由于入射激光射束3’的收斂(并且可能由于分開的起聚焦作用的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件或者到射束成形元件31的相位曲線中的集成)，未相位調(diào)制的分量303b(點(diǎn)劃線式地示出)在傳播長(zhǎng)度dp過(guò)程中繼續(xù)變窄并且照射到近場(chǎng)光學(xué)器件33b的中央?yún)^(qū)域上。由此構(gòu)造用于未相位調(diào)制的射束分量303b的焦點(diǎn)350，該焦點(diǎn)比拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7更靠近近場(chǎng)透鏡33b。未相位調(diào)制的分量在焦點(diǎn)350后面劇烈發(fā)散，使得在工件中就未相位調(diào)制的射束分量303b而言不再達(dá)到導(dǎo)致非線性吸收的強(qiáng)度。因此，在這種構(gòu)型中可以取消未相位調(diào)制的射束分量303b的過(guò)濾。

然而可以在焦點(diǎn)350的區(qū)域中(或者當(dāng)射束強(qiáng)烈聚焦時(shí)甚至在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)光學(xué)器件之間)設(shè)置空間定位(lokalisiert)的濾光單元，以便使未相位調(diào)制的射束分量303b從相互作用區(qū)和工件中脫離出來(lái)。

圖22示出光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)在射束成形單元31的射束上游配備有附加透鏡400。透鏡400——例如附加的起聚焦作用的部件——處于相對(duì)于射束成形元件31的距離da處。

射束成形元件31具有相位曲線，該相位曲線被調(diào)節(jié)到特定射束直徑上。通過(guò)透鏡400關(guān)于射束成形單元31的可移動(dòng)性可以使射束成形元件的照亮分量、即在射束成形元件31上的輸入強(qiáng)度特性的射束直徑適配。

在一些實(shí)施方式中，在射束成形元件31前面的透鏡400可以在射束成形元件31的相位掩模中被補(bǔ)償，使得成像不改變或者使僅0階、即未相位調(diào)制的分量聚焦。

一般地，透鏡400也可以理解為遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的部件。如果遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件由多個(gè)可相互移動(dòng)并且可相對(duì)于近場(chǎng)光學(xué)器件移動(dòng)的部件組成，那么成像尺度可以通過(guò)合適的移動(dòng)改變。在一些實(shí)施方式中可以使透鏡400、射束成形元件或二者共同移動(dòng)，以便適配光學(xué)系統(tǒng)1的成像尺度。在一些實(shí)施方式中，透鏡400可以作為第一望遠(yuǎn)鏡部分透鏡(teleskop-teil-linse)用于在射束成形元件上的射束直徑的適配，其中，第二望遠(yuǎn)鏡部分透鏡被包括到相位掩模中。

在一些實(shí)施方式中可以使透鏡400移動(dòng)，以便尤其為了縱向平頂射束形狀或多點(diǎn)形成而實(shí)施原始射束的精細(xì)適配。

如果這樣選擇輸入射束：在射束成形元件31上存在收斂的或發(fā)散的射束，那么也可以相應(yīng)于圖21有一定可能取消用于未相位調(diào)制的射束分量403b的濾光單元。即，用于在工件中的非線性吸收的強(qiáng)度僅由相位調(diào)制的射束分量403a實(shí)現(xiàn)。

衍射式光學(xué)元件允許在輸入強(qiáng)度特性上的數(shù)字化的和例如基于像素的相位適配。根據(jù)反類貝塞爾射束形狀的強(qiáng)度曲線例如可以產(chǎn)生在聚焦區(qū)7中的縱向平頂強(qiáng)度特性。為此這樣影響射束成形元件中的相位曲線，使得在輸出強(qiáng)度特性中的強(qiáng)度值從形成強(qiáng)度最大值和貝塞爾射束的尾跡的區(qū)域中離開并且通過(guò)相位改變這樣徑向地再分配，使得在之后的通過(guò)近場(chǎng)光學(xué)器件33b的聚焦中使上升區(qū)域61a和下降區(qū)域61b增強(qiáng)或者盡可能地避免延展的尾跡(例如通過(guò)功率的從尾跡到均勻化區(qū)域中的移動(dòng))。

相應(yīng)的輸出強(qiáng)度特性551在圖23(強(qiáng)度橫截面)和圖24(2d俯視圖)中示出。可看出，(與圖15相比)在圖23的強(qiáng)度橫截面中局部最大值沿徑向方向擴(kuò)寬并且被調(diào)制。存在相應(yīng)的徑向延展的調(diào)制的環(huán)結(jié)構(gòu)549。

圖25示出這種輸出強(qiáng)度分布551的聚焦。得出在沿z方向大于700μm的區(qū)域上的縱向準(zhǔn)均勻化的強(qiáng)度分布(平頂)561。

圖26類似于圖6地示出在透明材料9中的改性區(qū)565(改性)。上面四個(gè)接收又說(shuō)明脈沖組能量eg為大約20μj到40μj時(shí)的閾值性能，下面四個(gè)接收示出大約30μj到200μj的增大的脈沖組能量?？煽闯觯诔^(guò)閾值時(shí)改性區(qū)基本上總是在工件9中在沿z方向的相同延展區(qū)域上形成。這基于僅具有短的上升和下降的近似恒定的強(qiáng)度。但是隨著能量的增大不僅改性區(qū)的強(qiáng)度變大而且其橫向延展變大。

在圖27中示出另一實(shí)施方式，該實(shí)施方式允許沿?cái)U(kuò)展方向達(dá)到一系列的強(qiáng)度提高。但是可以進(jìn)行在近場(chǎng)光學(xué)器件33b的像側(cè)的焦平面區(qū)域中的補(bǔ)充的相位施加，如橫向和/或縱向的多點(diǎn)相位施加。特別在圖27中看出，一系列的三個(gè)強(qiáng)度最大值661a、661b和661c，所述一系列的三個(gè)強(qiáng)度最大值分別具有根據(jù)圖4的強(qiáng)度曲線。

所述一系列的三個(gè)強(qiáng)度最大值可以通過(guò)縱向多點(diǎn)相位施加或者使用作為近場(chǎng)光學(xué)器件33b的多焦點(diǎn)透鏡(multifokallinse)來(lái)產(chǎn)生。因此例如可以在傅里葉平面區(qū)域中(近場(chǎng)光學(xué)器件33b的焦平面)或靠近近場(chǎng)光學(xué)器件33b設(shè)置附加的衍射光學(xué)元件，該元件提供對(duì)于三個(gè)焦點(diǎn)的附加相位調(diào)制。這種相位適配例如由ep1212166b1公知。

與圖28到31相關(guān)聯(lián)地說(shuō)明拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)7對(duì)于加速的艾里射束類型的射束形狀的情況的另一可能構(gòu)造。

圖28示出相位曲線743，如該相位曲線可以在射束成形元件31中施加到輸入強(qiáng)度特性上。在此，相位曲線743包括對(duì)于產(chǎn)生加速的射束所需的相位曲線和凹形透鏡的相位曲線，該凹形透鏡的相位曲線補(bǔ)償原始射束發(fā)散。一般地，加速射束的相位掩模產(chǎn)生好的準(zhǔn)直的射束，該射束不顯著地在傳播距離上改變并且通過(guò)近場(chǎng)部件聚焦到所謂的加速射束形狀中。

圖29和30以截面圖(圖29)和俯視圖(圖30)說(shuō)明所屬的輸出強(qiáng)度特性751?？煽闯?，強(qiáng)度最大值稍微從中央(即射束軸線45旁邊)沿y方向移動(dòng)。因此，橫向輸出強(qiáng)度特性751關(guān)于輸入強(qiáng)度特性通過(guò)處于射束軸線45外部的局部最大值749修改。

這種輸出強(qiáng)度特性751的聚焦導(dǎo)致在在圖31中示出的、拉長(zhǎng)的和彎曲的聚焦區(qū)707。該聚焦區(qū)允許，當(dāng)聚焦區(qū)例如沿y方向被引導(dǎo)到這種材料的邊緣上時(shí)，這種加速的射束特性也可以與不透明的介質(zhì)相結(jié)合地使用。產(chǎn)生的相互作用例如導(dǎo)致材料側(cè)的圓角。在另一實(shí)施方式中，這種射束特性可以與透明材料一起使用來(lái)實(shí)現(xiàn)具有彎曲截面的切割。

在一些實(shí)施方式中，例如可以這樣構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng)，使得不僅產(chǎn)生根據(jù)圖7的實(shí)際強(qiáng)度提高，而且產(chǎn)生根據(jù)圖3的虛擬強(qiáng)度提高。以該方式可以擴(kuò)寬改性區(qū)的縱向延展。

圖32示意性示出具有雙doe31c的示例的光學(xué)系統(tǒng)。如果激光射束3落到雙doe31c上，則一方面形成實(shí)際強(qiáng)度提高871、例如在doe871的射束下游的類貝塞爾射束。另一方面形成射束分量，該射束分量配屬有拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)807a的處于doe871的射束上游的虛擬圖像853，例如呈反類貝塞爾射束類型。

光學(xué)系統(tǒng)還包括具有遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件833a和近場(chǎng)光學(xué)器件833b的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)833。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)既使虛擬圖像853也使實(shí)際強(qiáng)度提高871成像到待加工的材料9中。為此將雙doe31c定位到遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件833a的焦平面中或附近。

所述成像導(dǎo)致延長(zhǎng)的相互作用區(qū)域，該相互作用區(qū)域包括拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)807a和源于實(shí)際強(qiáng)度提高871的聚焦區(qū)807b。在得出的一系列相繼的聚焦區(qū)807a和807b中，(反向)類貝塞爾射束的強(qiáng)度首先根據(jù)在圖4中示出的強(qiáng)度曲線走向，然后根據(jù)在圖8中示出的強(qiáng)度曲線走向。因此得出具有通過(guò)劇烈的強(qiáng)度下降61b和劇烈的強(qiáng)度上升81a形成的低強(qiáng)度中間空間的強(qiáng)度曲線。該低強(qiáng)度中間空間可以例如在加工成對(duì)相互疊置的工件時(shí)設(shè)置在接觸區(qū)的區(qū)域中。此外，該方案允許，在相同的輸入射束直徑和相同的由光學(xué)系統(tǒng)遮蓋的角度范圍的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)用于相互作用的兩倍長(zhǎng)度。

在一些實(shí)施方式中，可以將未相位調(diào)制的分量聚焦相互疊置的聚焦區(qū)807a和807b之間的區(qū)域中。所屬的高斯焦點(diǎn)807c示意性地同樣在圖32中表明。在這種實(shí)施方式中，還能夠?qū)崿F(xiàn)衍射效率的適配，因?yàn)槭褂梦聪辔徽{(diào)制的射束用于填充強(qiáng)度間隙。

在這里示例性地參照所選擇的虛擬射束特性描述一些方面。一般地，可以將這些方面?zhèn)鬏敒樵谶@里描述為(反向)虛擬射束形狀的射束類型如反向準(zhǔn)貝塞爾/艾里射束類型的射束形狀，例如反類貝塞爾射束特性或反向調(diào)制或均勻化的類貝塞爾射束特性。

與圖33a到33d和34相關(guān)聯(lián)地闡述反類貝塞爾射束借助射束特性和幅度曲線從射束成形元件至近場(chǎng)光學(xué)器件的傳播。較明亮灰度值相應(yīng)于較大的幅度。相應(yīng)的反類貝塞爾射束可以通過(guò)在這里所述的折射、反射或衍射的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生，例如通過(guò)(空心錐)軸棱鏡系統(tǒng)和doe系統(tǒng)。doe系統(tǒng)例如可以基于相位掩模的在圖14中示出的相位曲線，其中，除了對(duì)于反類貝塞爾射束所需的相位還設(shè)有起聚焦作用的相位值。

假設(shè)，具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的高斯射束特性的激光射束射入到射束成形元件上。高斯射束特性具有經(jīng)過(guò)射束中央高斯形式走向的橫向幅度曲線。圖33a、33b、33c和33d分別示出射束特性900a、900b、900c和900d和所屬的示意性幅度曲線902a、902b、902c和902d的發(fā)展，后者直接處于在z＝0mm處的射束成形元件后面并且以一距離z＝10mm、z＝50mm處于射束下游以及處于緊接著的近場(chǎng)部件的在z＝200mm處的焦平面中。假設(shè)轉(zhuǎn)化至100％，即不產(chǎn)生例如呈未相位調(diào)制的或擴(kuò)散的光的形式的干擾射束分量。

圖34示出沿著射束軸線z從在z＝0mm處的射束成形元件的輸出端出發(fā)直至在z＝250mm處的近場(chǎng)透鏡的截面的幅度曲線。射束特性900a、900b、900c和900d的位置在圖34中以箭頭示出。

可看出，由于純相位掩模直接在射束成形元件后面存在類似于高斯射束的高斯射束特性900a和高斯幅度曲線902a。但是由于所施加的、導(dǎo)致附加發(fā)散的相位立即形成清晰限界的孔。在z＝＝10mm時(shí)已經(jīng)在射束特性的中央處看出清楚的黑色點(diǎn)904。該黑色點(diǎn)變得越來(lái)越大。同時(shí)形成具有高幅度的環(huán)區(qū)域906。

環(huán)區(qū)域906向內(nèi)清晰限界，這通過(guò)在徑向幅度/強(qiáng)度分布中的梯級(jí)形狀看出。圓形圍繞的梯級(jí)的側(cè)沿907指向射束軸線/射束中央。隨著z值的增大，側(cè)沿907的對(duì)置區(qū)段相互漂移，即中央的清晰限界的孔快速地在直徑方面增大(d1<d2)。

在徑向幅度/強(qiáng)度分布中，環(huán)區(qū)域906隨著z值增大向外越來(lái)越快地下降。該發(fā)展示意性地在幅度曲線902a到902c的下降的側(cè)沿908a到908c中示出。在遠(yuǎn)場(chǎng)中、即例如在施加的聚焦(遠(yuǎn)場(chǎng))作用和近場(chǎng)光學(xué)器件的疊加的焦平面中，清晰的環(huán)908d在射束特性900d中已經(jīng)形成，該環(huán)接著又膨脹(參見圖34)。在此，形成在外側(cè)上的清晰的棱邊，即所述梯級(jí)通過(guò)其側(cè)沿指向外部。

在圖34中看出在黑暗的、沿z方向擴(kuò)展的區(qū)域910a與沿z方向變窄的和明亮的邊緣區(qū)域910b之間的過(guò)渡中的清晰棱邊，其中，在較明亮的邊緣區(qū)域910b中的灰度值首先在徑向內(nèi)部并且然后從焦平面開始在徑向外部增高。

所述射束特性和幅度分布的原理上的性能允許具有高斯輸入射束的光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試，在該測(cè)試中首先形成具有向內(nèi)傾斜指向的側(cè)沿的孔并且由此導(dǎo)致在遠(yuǎn)場(chǎng)中在射束軸線外部的局部最大值。射束特性由內(nèi)部區(qū)域和在聚焦區(qū)的區(qū)域中的成像可以使相應(yīng)的射束特性可識(shí)別。在此，光學(xué)系統(tǒng)的使用不強(qiáng)制地限制到高斯射束上。還要注意的是，附圖由對(duì)于理想情況的計(jì)算得出。如果例如使用非理想的doe，則可能使所述未相位調(diào)制的分量或?qū)嶋H類貝塞爾射束的更高階或一部分(例如在雙掩模的情況下)處于射束軸線上并且所述“孔”以強(qiáng)度填充。

因此，反類貝塞爾射束可以在幅度曲線和由此在強(qiáng)度特性中尤其具有梯級(jí)，所述梯級(jí)具有傾斜側(cè)沿。該側(cè)沿尤其可以在靠近射束成形元件的區(qū)域中向內(nèi)指向，例如在直到遠(yuǎn)場(chǎng)的一半的區(qū)域中并且尤其在射束成形元件的射束下游的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件的聚焦長(zhǎng)度的區(qū)域中。對(duì)于沒有在射束軸線上的基礎(chǔ)的“簡(jiǎn)單的”反類貝塞爾射束，幅度/強(qiáng)度在梯級(jí)區(qū)域中從接近零增大到相位調(diào)制的射束分量的最大值。在此，(在相位調(diào)制的射束分量中的)梯級(jí)的成形也針對(duì)例如具有在射束成形元件上基本上恒定的徑向強(qiáng)度(徑向平頂)的入射射束給定，因?yàn)樗鎏菁?jí)基本上涉及射束中央。

之前所述在遠(yuǎn)場(chǎng)焦平面的射束上游的射束特性在該遠(yuǎn)場(chǎng)焦平面之后徑向反向直至聚焦區(qū)。在聚焦區(qū)后該射束特性還徑向反向一次，使得在那里——在沒有與待加工材料的相互作用情況下——又可以調(diào)節(jié)梯級(jí)形狀。射束特性例如可以通過(guò)量取在相應(yīng)部位上的射束來(lái)進(jìn)行分析，這在光學(xué)系統(tǒng)中在射束成形元件后面或在聚焦區(qū)前面或后面進(jìn)行。尤其在允許中央干擾射束的阻擋的布置中可以如此在聚焦區(qū)域前面和后面分析相位調(diào)制的射束分量的強(qiáng)度曲線。

本發(fā)明的上下文還參照申請(qǐng)人在同一天遞交的德文專利申請(qǐng)，該專利申請(qǐng)尤其涉及在產(chǎn)生反類貝塞爾射束類型或反類艾里射束類型的射束形狀時(shí)使用doe的可行方案。該申請(qǐng)的內(nèi)容在這里全部被包含在內(nèi)。如其中一般性地闡述的那樣，可以例如在產(chǎn)生多個(gè)(反向)類貝塞爾射束時(shí)形成多個(gè)梯級(jí)，所述梯級(jí)在涉及虛擬圖像的情況下，尤其可以具有強(qiáng)烈施加的、在相應(yīng)縱向區(qū)段中可以具有向內(nèi)(在遠(yuǎn)場(chǎng)焦平面前面和在聚焦區(qū)后面)或者說(shuō)向外(在遠(yuǎn)場(chǎng)焦平面與聚焦區(qū)之間)指向的側(cè)沿。

在這里公開的方面的其他實(shí)施方式和/或擴(kuò)展方案總結(jié)如下：

橫向輸出強(qiáng)度特性可以相應(yīng)于虛擬光學(xué)圖像的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度特性和/或聚焦區(qū)關(guān)于近場(chǎng)光學(xué)器件的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度特性。

激光射束的預(yù)給定的輸入射束形狀可以具有橫向輸入強(qiáng)度特性、射束直徑、橫向輸入相位外形、輸入發(fā)散度和/或極化并且光學(xué)系統(tǒng)可以構(gòu)造用于將預(yù)給定的輸入射束形狀轉(zhuǎn)化為在近場(chǎng)光學(xué)器件的輸出端上的收斂的輸出射束形狀，其中，輸出射束形狀的近場(chǎng)形成拉長(zhǎng)的聚焦區(qū)。

光學(xué)系統(tǒng)可以具有在近場(chǎng)光學(xué)器件的像側(cè)的焦平面區(qū)域中的補(bǔ)充的相位施加單元，尤其用于橫向和/或縱向的多點(diǎn)相位施加。

一般地，在這里所述的聚焦元件如遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)器件或近場(chǎng)光學(xué)器件可以實(shí)施為例如透鏡、反射鏡、doe或上述器件的組合。

此外，可以將這里相對(duì)于所述實(shí)施例附加的光學(xué)元件添加到光學(xué)系統(tǒng)中。此外，可以在成像系統(tǒng)中添加中間成像，以便例如能夠在像側(cè)的焦平面區(qū)域中既實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能又同時(shí)實(shí)現(xiàn)掃描運(yùn)動(dòng)。由此像側(cè)的焦平面(例如在圖20中的圖像平面340)自身可以例如通過(guò)附加的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)成像。替代地或附加地，這種光學(xué)中間系統(tǒng)可以允許例如在掃描應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)放大的工作距離和/或工作場(chǎng)的放大。

明確強(qiáng)調(diào)的是，出于原始公開的目的，同樣出于限定所要求保護(hù)的發(fā)明的目的，所有在說(shuō)明書中和/或權(quán)利要求書中公開的特征應(yīng)視為相互分開和獨(dú)立的，與在實(shí)施方式中和/或在權(quán)利要求中的特征組合無(wú)關(guān)。明確堅(jiān)持的是，出于原始公開的目的，同樣出于限定所要求保護(hù)的發(fā)明的目的，所有范圍說(shuō)明或單位組的說(shuō)明公開任意可能的中間值或單位子組，尤其也公開范圍說(shuō)明的界限。