(57)【要約】  本発明の基礎となる課題は、分割プロセスのために、透明な脆性基板を準備し、以下のような準備された分割線を提供すること、すなわち、大きい割断力と、これに関連する形成された縁部における貝殻状の破砕の危険性と、を伴うことなく、この分割線に沿って要素を分離することが可能となるような、準備された分割線を提供することである。このために本発明は、被加工物（２）の分割を準備するための方法であって、パルス状のレーザビーム（４）の光に対して透明である被加工物（２）が用意され、レーザビーム（４）は、光学系（６）によって少なくとも２つの部分ビーム（４１，４２）に分割され、２つの部分ビーム（４１，４２）は、照射される表面（２１）の法線に対してそれぞれ異なる角度で被加工物（２）に入射するように、かつ被加工物（２）の内部で重畳するように、被加工物（２）へと向けられ、部分ビーム（４１，４２）は、前記部分ビーム（４１，４２）の重畳領域（４３）に沿って相前後して並んだ一連の強度最大値（４５）が被加工物（２）の内部に形成されるように、互いに干渉し合い、強度最大値（４５）における強度は、被加工物（２）の材料が変性させられて、材料変性部（８）の鎖状の周期的な配列（９）が形成されるほど高く、被加工物（２）と部分ビーム（４１，４２）とは、分割線（１１）を形成する経路に沿って位置する複数の材料変性部（８）の鎖状の周期的な配列（９）が生成されるように、互いに対して相対的に移動させられる、方法を提供する。
2021513951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物（２）の分割を準備するための方法であって、
・パルス状のレーザビーム（４）の光に対して透明である被加工物（２）が用意され、
・前記レーザビーム（４）は、光学系（６）によって少なくとも２つの部分ビーム（４１，４２）に分割され、
２つの前記部分ビーム（４１，４２）は、照射される表面（２１）の法線に対してそれぞれ異なる角度で前記被加工物（２）に入射するように、かつ、前記被加工物（２）の内部で重畳するように、前記被加工物（２）へと向けられ、
前記部分ビーム（４１，４２）は、前記部分ビーム（４１，４２）の重畳領域（４３）に沿って相前後して並んだ一連の強度最大値（４５）が前記被加工物（２）の内部に形成されるように、互いに干渉し合い、
前記強度最大値（４５）における強度は、前記被加工物（２）の材料が変性させられて、材料変性部（８）の鎖状の周期的な配列（９）が形成されるほど高く、
前記被加工物（２）と前記部分ビーム（４１，４２）とは、分割線（１１）を形成する経路に沿って位置する複数の材料変性部（８）の鎖状の周期的な配列（９）が生成されるように、互いに対して相対的に移動させられる、
方法。
【請求項２】
前記部分ビームのうちの一方（４１）は、アキシコンによって生成されたベッセルビームであり、
第１の部分ビームが線焦点を形成している領域において、第２の部分ビーム（４２）が前記第１の部分ビームと重畳させられる、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
・前記第２の部分ビーム（４２）をガウスビームとして成形するステップと、
・２つの前記部分ビーム（４１，４２）の強度の差が５倍以下、好ましくは３倍以下になるように、前記レーザ光を分割するステップと、
のうちの少なくとも１つのステップが設けられている、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
被加工物（２）の分割の準備をするための方法を実施するための装置であって、前記装置は、
・パルス状のレーザビーム（４）を生成するためのレーザ（３）と、
・前記レーザビーム（４）を、少なくとも２つの部分ビームに分割して、処理されるべき被加工物（２）へと向けるための光学系（６）と、
・２つの前記部分ビーム（４１，４２）が、照射される表面（２１）の法線に対してそれぞれ異なる角度で前記被加工物（２）に入射するように、かつ、前記被加工物（２）の内部で重畳するように、さらに、前記部分ビーム（４１，４２）が、前記部分ビーム（４１，４２）の重畳領域（４３）に沿って相前後して並んだ一連の強度最大値（４５）が前記被加工物（２）の内部に形成されるように、互いに干渉し合うように、前記被加工物（２）と前記レーザビーム（４）とを、互いに相対的に位置決めおよび方向決めするための位置決め装置（１３）と、
を含み、
・前記レーザ（３）は、前記被加工物（２）の材料を変性させて、材料変性部（８）の鎖状の周期的な配列（９）を形成するために、前記レーザパルスのパルスエネルギが十分になるように、十分なエネルギパルスを生成するように構成されており、
・前記位置決め装置（１３）は、分割線（１１）を形成する経路に沿って位置する複数の材料変性部（８）の鎖状の周期的な配列（９）を生成するために、部分ビームを有する前記レーザビーム（４）と前記被加工物（２）とを、互いに対して移動させるように構成されている、
装置。
【請求項５】
・前記光学系（６）は、平凸アキシコン（９１）を含み、前記平凸アキシコン（９１）の平坦側（９５）は、入射レーザビームの方を向いており、凸側（９６）は、切頭円錐の形状を有するという特徴と、
・前記光学系（６）は、平凸アキシコン（９１）を含み、前記平凸アキシコン（９１）の凸側（９６）は、入射レーザビームの方を向いており、切頭円錐の形状を有するという特徴と、
のうちの少なくとも１つを有する、
請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記光学系（６）は、２つの前記部分ビーム（４１，４２）の強度の差が１００倍以下、好ましくは５０倍以下となるように、前記レーザ光を分割するように構成されている、
請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記光学系（６）は、平凸アキシコン（９２）であり、前記平凸アキシコン（９２）の平坦側（１００）の中央に、ガラス円錐（９８）が配置されており、前記ガラス円錐（９８）の凸側（９９）は、円錐の形状を有する、
請求項４記載の装置。
【請求項８】
前記光学系（６）は、凹凸アキシコン（９３）であり、凸側（１０１）は、切頭円錐の形状を有し、凹側（１０２）は、切頭円錐の輪郭を有し、
前記レーザ光を、前記アキシコンを通るように案内するために、中央開口部（１０３）が設けられている、
請求項４記載の装置。
【請求項９】
前記光学系（６）は、両凸アキシコンであり、前記アキシコンの２つの凸側は、それぞれ異なる母線の傾斜角を有する切頭円錐の形状を有し、
空気が充填された中央領域（１０８）が設けられている、
請求項４記載の装置。
【請求項１０】
前記光学系（６）は、少なくとも３つの平凸アキシコンを含み、少なくとも３つの前記アキシコンの凸側は、切頭円錐の形状を有する、
請求項４記載の装置。
【請求項１１】
前記光学系（６）は、同心リング格子を含む、
請求項４記載の装置。
【請求項１２】
前記光学系（６）は、同心リング格子として構成された少なくとも３つのアキシコンを含み、前記アキシコンのうちの少なくとも２つは、中央の平面領域を有する、
請求項４記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は、リングビーム（１７０）を生成するための配列（１５０）を有し、
前記リングビーム（１７０）のビームプロファイルは、ビーム軸上では強度消失を有するが、ビーム軸の周りの円形リング上では強度最大値を有し、
前記装置は、ビーム方向において前記配列（１５０）の下流に配置された切頭円錐アキシコンを有し、前記切頭円錐アキシコンは、前記リングビーム（１７０）を中央ビーム（１９０）とリングビームとに分割し、
前記中央ビーム（１９０）および前記リングビーム（１８０）の出力成分は、前記アキシコンに入射する前記リングビーム（１７０）のビーム直径に対する前記アキシコン（１３５）の切頭円錐平面の比によって調整可能である、
請求項４記載の装置。
【請求項１４】
前記リングビーム（１７０）を生成するための前記配列（１５０）は、２つの螺旋位相板（１５１，１５２）または２つの回折アキシコンを含む、
請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記光学系（６）は、３つの相前後して接続されたアキシコン（１３５）を有するアキシコントリプレットを含み、
ビームの方向において最初にあるアキシコン（１３５）は、発散性のリングビームを生成し、
前記発散性のリングビームは、後続するアキシコン（１４１）によって平行化され、前記アキシコントリプレットの最後のアキシコン（１４２）によって収束性のリングビームに変換される、
請求項４から１４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
とりわけ請求項１から３までのいずれか１項記載の方法または請求項４から１５までのいずれか１項記載の装置によって製造可能な、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）であって、
前記被加工物（２）は、２つの平面（２２，２４）を有し、
前記被加工物（２）は、前記被加工物（２）の内部に位置する材料変性部（１７）のパターンを有し、前記材料変性部（１７）は、それぞれ圧密ゾーン（１６）によって取り囲まれており、
前記材料変性部（１７）は、線（１８）に沿って規則的な順序で配置されている、
ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）。
【請求項１７】
前記被加工物（２）は、２つの平面（２２，２４）を有し、
規則的に相前後して配置された材料変性部からなる、隣り合って位置する複数の線（１８）は、前記被加工物の内部に位置する平面（１９）を形成し、
前記材料変性部の前記線は、前記ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）の前記２つの平面（２２，２４）のうちの一方から、反対側の側面まで到達している、
請求項１６記載のガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）。
【請求項１８】
前記ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）は、ディスク形であり、前記平面（２２，２４）は、２つの相対する側面である、
請求項１７記載のガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）。
【請求項１９】
前記平面は、同心の周面であり、前記ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）は、管形である、
請求項１７記載のガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）。
【請求項２０】
前記ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）の厚さは、１０μｍ〜５０ｍｍの間、好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍの間である、
請求項１６から１９までのいずれか１項記載のガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）。
【請求項２１】
前記材料変性部（１７）の全長を前記被加工物（２）の厚さｄで割った商ωに関して、
【数１】
2021513951.tif 000005
が当てはまり、
ここで、ｌｉは、前記材料変性部の個々の長さを表し、なお、ｋ＝０．５、好ましくはｋ＝０．７、とりわけｋ＝０．９、非常に特に好ましくはｋ＝０．９５である、
請求項１６から２０までのいずれか１項記載のガラスまたはガラスセラミック製の被加工物（２）。
【請求項２２】
とりわけ請求項１から３までのいずれか１項記載の方法または請求項４から１５までのいずれか１項記載の装置によって製造可能な、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物であって、
前記被加工物は、割断縁部（１７）を有し、
前記割断縁部（１７）は、規則的に鎖状に相前後して配置された材料変性部からなる複数の互いに隣り合って位置する線を有し、前記材料変性部は、前記線に沿った１〜１００μｍの中心間間隔と、０．２〜５μｍの直径と、を有し、それぞれ圧密ゾーン（１６）によって取り囲まれている、
ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、設けられた線に沿って被加工物を分割することによる被加工物の材料処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
設けられた線に沿ってガラス板を分割するために、亀裂を割断する方法が使用されることが多い。ガラスは、まず始めに線に沿って引っかき傷がつけられ、次いで、この線において曲げ応力を加えることによって割断される。しかしながら、この場合には、特に厚いガラスまたはガラス板の場合、線に沿った開裂によって生じた端面が、もはや線に沿って延在せず、側面に対してもはや垂直でなくなる可能性があるという問題が存在する。
【０００３】
国際公開第２０１２／００６７３６号では、基板の所期の分割線に沿った自己集束の非線形効果を利用して互いに離間されたフィラメントを生成することにより、超短レーザパルス（パルス長が１００ｐｓ未満）の１つまたは群を用いて、基板を割断する準備をするための方法が紹介されている。
【０００４】
国際公開第２０１７／００９３７９号は、上記の方法の発展形態を記載しており、ここでは、基板の表面に対して斜めに延在する変性部が生成される。
【０００５】
欧州特許第２９３１４６７号明細書からは、未臨界の亀裂成長による早期の自己劈開を阻止するために、追加的なプロセスパラメータとして周囲雰囲気を含めることが公知である。
【０００６】
さらに、独国特許出願公開第１０２０１５１１６８４８号明細書は、レンズの球面収差によってフィラメントを作成することにより、規定された強度のゾーンを導入することを記載しており、ここでは、超短パルスレーザのガウスビームが、光軸に沿って不均一な強度分布を有する線焦点に変換される。上記の文献に記載されている方法は、材料の厚さ方向において、比較的小さい割断応力を有する非等間隔の材料変性部を生成するが、不利なことに、材料変性部の長さが、典型的には約３ｍｍ以下に制限されている。さらに、不均一な強度分布は、線焦点に対して相対的なガラス板の位置に関する所要の高い正確性に対しても、不利な影響を及ぼす。すなわち、ガラス板が線焦点の長さより格段に薄い場合であっても、板と光学系との間の間隔を正確に約５０μｍに維持しなければならないのである。
【０００７】
欧州特許第２７５４５２４号明細書および独国特許出願公開第１０２０１３２２３６３７号明細書は、適切な光学系を用いて（好ましくは、少なくとも１つのアキシコンを使用して）ベッセルガウスビームを生成する（すなわち、ガウスビームを、ガウス形の包絡線を有するベッセルビームに変換する）ことによってフィラメントを生成する方法を記載している。このようにして生成された材料変性部は、光軸に沿ってほぼ均一に分布しており、したがって、上で挙げた方法よりも格段により大きい割断応力を必要とする。このような格段により大きい割断応力は、不利な作用を及ぼす。なぜなら、生成される変性部は、確かに比較的長い長さを有する（最大１５〜２０ｍｍ）のだが、事前に穿孔された線に沿った後続の分割プロセスは、未臨界の亀裂成長が発生するため、基本的に成功しないからである。ベッセル状のリング状のビームを生成するためにアキシコンを使用することは、国際公開第２０１８／０１１６１８号、独国特許出願公開第１０２０１４１１６９５７号明細書、米国特許出願公開第２０１８／０００５９２２号明細書、およびJuozas Dudutisら著の“Modification of glass using an axicon generated non-symmetrical Bessel-Gaussian beam”，Proc. SPIE 10091，Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing，20 February 2017からも公知である。
【０００８】
さらに、一般的な先行技術から、レンズと回折光学要素（ＤＯＥ）との組み合わせからなる、複数の焦点を同時に生成するための光学系が公知である。上記の構造の欠点は、焦点の個数がわずか数桁に制限されており、また、焦点同士の間隔が一定ではなく、さらに、本明細書で追求される目的のためには格段に大き過ぎる（典型的には１００μｍ超）ことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した分割方法に鑑みて、本発明の基礎となる課題は、分割プロセスのために、厚い厚さを有する透明な脆性基板を準備し、以下のような準備された分割線を提供すること、すなわち、大きい割断力と、これに関連する形成された縁部における貝殻状の破砕の危険性と、を伴うことなく、この分割線に沿って要素を分離することが可能となるような、準備された分割線を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は、独立請求項の対象によって解決される。有利な実施形態および発展形態は、従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明の基本的な着想は、超短パルスレーザによって導入された光学的な材料変性部により、後続の分割プロセスのための準備をすることであり、適切なビーム成形により、生成された材料変性部が、小さい割断応力σＢによる制御された割断プロセスを可能にする。分割プロセスを、本発明による材料変性よりも格段に後の時点に実施してもよい。
【００１２】
本発明によれば、特別なパターンで材料変性部を導入した後、厚いガラスまたはガラスセラミック要素でも容易に分割することが可能である。このようなパターンは、超短パルスレーザのレーザビームを２つの部分ビームに分割することによって実現可能であり、これら２つの部分ビームは、処理されるべき要素内の相互作用ゾーンにおいて互いに干渉し合い、これによって入射方向に、すなわち、要素の表面に設けられた分割線からこの要素の内部に向かって、規則的に離間された複数の強度最大値が形成される。レーザの強度は、強度最大値では材料変性部が発生するが、最大値と最大値との間にある最小値では、好ましくは材料変性部が発生しないか、または比較的弱くなるように設定されている。
【００１３】
最大値と最大値との間の間隔は、レーザ光の波長によって決定されるので、規則的である。
【００１４】
したがって、本発明は、すなわち、被加工物の分離または分割を準備するための方法であって、パルス状のレーザビームの光に対して透明である、好ましくは脆性材料からなる被加工物が用意され、レーザビームは、光学系によって少なくとも２つの部分ビームに分割され、２つの部分ビームは、照射される表面の法線に対してそれぞれ異なる角度で被加工物に入射するように、かつ被加工物の内部で重畳するように、被加工物へと向けられ、これにより、部分ビームは、当４部分ビームの重畳領域に沿って相前後して並んだ一連の強度最大値が被加工物の内部に形成されるように、互いに干渉し合い、強度最大値における強度は、被加工物の材料が変性させられて、材料変性部の鎖状の周期的な配列が形成されるほど高く、被加工物と部分ビームとは、分割線を形成する経路に沿って位置する複数の鎖状の周期的な配列が生成されるように、互いに対して相対的に移動させられる、方法を提供する。
【００１５】
したがって、被加工物の分割の準備をするための方法を実施するための対応する装置は、
・パルス状のレーザビームを生成するためのレーザと、
・レーザビームを、少なくとも２つの部分ビームに分割して、処理されるべき被加工物へと向けるための光学系と、
・２つの部分ビームが、照射される表面の法線に対してそれぞれ異なる角度で被加工物に入射するように、かつ被加工物の内部で重畳するように、さらに、部分ビームが、当該部分ビームの重畳領域に沿って相前後して並んだ一連の強度最大値が被加工物の内部に形成されるように、互いに干渉し合うように、被加工物とレーザビームと、を互いに相対的に位置決めおよび方向決めするための位置決め装置と
を含み、
・レーザは、被加工物の材料を変性させて、材料変性部の鎖状の周期的な配列を形成するために、レーザパルスのパルスエネルギが十分になるように、十分なエネルギパルスを生成するように構成されており、
・位置決め装置は、分割線を形成する経路に沿って位置する複数の材料変性部の鎖状の周期的な配列を生成するために、２つの部分ビームを有するレーザビームと被加工物とを、互いに対して移動させるように構成されている。
【００１６】
本発明による方法を実施するための装置の主要な要素は、入射レーザビームを２つの部分ビームに分割するための光学系である。光学系として、好ましくは、いわゆるアキシコンが使用される。
【００１７】
アキシコンは、入射する「平行」なビームを、リングビームに変換する（平面波を、光軸の周りに同心円状に配置されたリング形の強度分布に変換する）円錐レンズである。焦点の代わりに、光軸に沿った線形の強度分布が得られる。アキシコンによって生成されるビームプロファイルは、光軸に沿った干渉の結果として発生する、局所的に制限されたベッセル状のビームである。本発明によれば、局所的に制限されたベッセル状のビームが、さらなる部分ビームと干渉させられる。実施例では、このさらなる部分ビームは、通常、光軸に沿って延在する中央ビームである。最も簡単な実施形態では、切頭アキシコンが使用され、すなわち、円錐先端の代わりに中央の平面が存在する。これにより、入射レーザビームは、リング形の第１の部分ビームと、本明細書では第２の部分ビームとも称される、光軸に沿って中央に延在する中央ビームと、に分割される。これらの２つの部分ビームは、光軸に沿った縦長のゾーンにおいて干渉し合う。処理されるべき材料中における所期の変性は、これらの縦長の干渉ゾーンの強度最大値において発生する。
【００１８】
使用するアキシコンの具体的な形状を選択することにより、とりわけ、干渉ゾーンの位置および間隔を変化させることができる。したがって、本発明による装置の種々の実施形態は、光学系として使用されるアキシコンの具体的な構成という点でそれぞれ異なっている。
【００１９】
第１の実施形態では、光学系は、平凸アキシコンであり、平凸アキシコンの平坦側は、入射レーザビームの方を向いており、凸側は、切頭円錐の形状を有する。
【００２０】
さらなる実施形態では、光学系は、平凸アキシコンであり、平凸アキシコンの凸側は、入射レーザビームの方を向いており、切頭円錐の形状を有する。
【００２１】
さらに別の実施形態では、光学系は、平凸アキシコンであり、平凸アキシコンの平坦側の中央に、ガラス円錐が配置されている。
【００２２】
さらに別の実施形態では、光学系は、凹凸アキシコンであり、凸側は、切頭円錐の形状を有し、凹側は、切頭円錐の輪郭を有する。
【００２３】
さらに別の実施形態では、光学系は、両凸アキシコンであり、アキシコンの２つの凸側は、それぞれ異なる高さの切頭円錐の形状を有する。
【００２４】
さらに別の実施形態では、光学系は、少なくとも３つの平凸アキシコンを含み、少なくとも３つのアキシコンの凸側は、切頭円錐の形状を有する。
【００２５】
さらに別の実施形態では、光学系は、同心リング格子として構成された少なくとも１つのアキシコンを含む。
【００２６】
さらに別の実施形態では、光学系は、同心リング格子として構成された少なくとも３つのアキシコンを含む。
【００２７】
光学系の特定の構成に関係なく、２つの部分ビームが、すなわちとりわけリングビームと中央ビームとが、同等の強度を有するように、適切に構成された光学系によってレーザ光が分割されることが特に好ましい。同等の強度とは、強度の差が１００倍以下、好ましくは５０倍以下、より好ましくは１０倍以下、さらに好ましくは３倍以下、とりわけ好ましくは１．５倍以下であると理解される。これにより、被加工物の内部で重畳する部分ビームの干渉パターンで、強力な強度変化が生じることが達成される。
【００２８】
レーザ出力は、本発明によるビーム成形要素によって、とりわけガラスまたはガラスセラミックからなる透明な要素または被加工物に入射し、そのビーム分布との相互作用の結果として、この透明な要素または被加工物には、分割線から出発して要素を貫通する平面上に、材料圧密部および材料疎薄部の規則的かつ平坦なパターンが設けられる。材料圧密部の引張応力ゾーンと、材料疎薄部の引張応力ゾーンと、は重なり合っていて非常に強力であるので、被加工物の平面に沿って亀裂が伝播し、この平面に沿った後々の割断が可能となる。
【００２９】
特に、本発明による方法によれば、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物を製造可能であり、被加工物は、２つの平面と、平面上に位置する材料変性部のパターンと、を有し、材料変性部は、それぞれ圧密ゾーンによって取り囲まれている。材料変性部は、線に沿って相前後して並んでいる。材料変性部は、それぞれ、線に沿って規則的な順序で、すなわち、干渉パターンの最大値の周期に対応する順序で配置されている。隣り合って位置する複数の線によって、被加工物の内部に位置する平面が形成され、材料変性部の線は、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物の２つの平面のうちの一方から、反対側の側面まで到達している。
【００３０】
一方では、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物は、ディスク形であり、したがって、平面は、２つの相対する側面である。他方では、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物は、管形であり、したがって、平面は、同心の周面である。既述したように、本発明は、厚いガラスまたはガラスセラミック製の被加工物を分割するためにも特に適している。本発明は、１０μｍ〜５０ｍｍの広範囲の基板厚さに適している。したがって、本発明の有利な発展形態によれば、被加工物または基板の厚さは、１ｍｍ〜２５ｍｍの範囲である。特に１０ｍｍ、とりわけ２０ｍｍ以上の厚い厚さの場合にも、本発明の利点が明らかである。というのは、そのような厚い被加工物の制御された分割は、さもなければ非常に困難だからである。
【００３１】
好ましくは、ガラスまたはガラスセラミック製の被加工物は、割断平面または割断縁部を有し、割断縁部は、規則的に鎖状に相前後して配置された材料変性部からなる複数の互いに隣り合って位置する線を有し、材料変性部は、線に沿った１〜１００μｍの中心間間隔と、０．２〜５μｍの直径と、を有し、それぞれ圧密ゾーンによって取り囲まれている。
【００３２】
以下では、添付の図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。同じ参照符号は、同じ要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による方法によって被加工物中に引き起こされる変性部の概略図である。
【図２】本発明による方法によって被加工物中に引き起こされる変性部のさらなる可能な配列の概略図である。
【図３】シングルパルス照射の場合における、変性部に沿った、被加工物の材料中に生成された割断縁部の顕微鏡画像である。
【図４】変性部の概略図であり、部分図（ａ）は、変性部の概略上面図であり、部分図（ｂ）は、変性部の概略側面図である。
【図５】ビーム経過を示す図であり、部分図（ａ）は、ビーム経過の方向におけるベッセルガウスビームおよび中央ビームの経過の概略図であり、部分図（ｂ）は、ベッセルガウスビームと中央ビームとの干渉の概略図である。
【図６】被加工物の材料中におけるベッセルガウスビームと中央ビームとの干渉の概略図である。
【図７】ベッセルガウスビームと中央ビームとの干渉の、計算された強度分布を示す図である。
【図８】平凸アキシコンを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図であり、アキシコンの平坦側は、入射レーザビームの方を向いている。
【図９】平凸アキシコンを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図であり、アキシコンの凸側は、入射レーザビームの方を向いている。
【図１０】アキシコンのさらなる実施形態を示す図である。
【図１１】凸凹アキシコンを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図である。
【図１２】両凸アキシコンを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図である。
【図１３】３つの平凸アキシコンを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図である。
【図１４】同心リング格子として構成されたアキシコンの正面図である。
【図１５】同心リング格子として構成されたアキシコンを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図である。
【図１６】リング格子の断面図である。
【図１７】同心リング格子として構成された、１つの負のアキシコンと２つの正のアキシコンとを使用した場合におけるビーム光路の経過を示す図である。
【図１８】レンズ系が下流に配置されている、位相マスクを有するさらなる実施例を示す図である。
【図１９】続いて破線焦点を形成するために使用されるリングビームの生成を伴う実施例を示す図である。
【図２０】傾斜した円錐平面とアキシコンの切頭上底との間の移行領域に対するビームリングの投影図である。
【図２１】続いて破線焦点を形成するために使用されるリングビームを生成するためのさらなる実施例を示す図である。
【図２２】３つの異なるビーム成形装置、すなわち、アキシコンを用いる第１の変形例と、位相板およびアキシコンを用いる第２の変形例と、位相板およびアキシコントリプレットを用いる第３の変形例と、における、光軸に沿った作業ボリュームにおける強度分布を示す図である。
【図２３】ベッセルビームによって、またはリングビームベースの破線焦点によって処理されたホウケイ酸ガラスの割断応力のワイブル分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１および図２は、基板表面２３に対応する表面２１を有する、本発明によって処理された被加工物２の断面を概略的に示す。被加工物２を処理するためのビーム源として、ここには図示されていないレーザ、好ましくはパルスレーザが使用される。ここには図示されていない部分ビーム４１，４２が、上から入射して、これらの部分ビーム４１，４２の干渉ゾーンまたは圧密ゾーンにおいて、破線焦点に対応する線１８に沿って周期的に配置された複数の変性部８を生成する。後々の時点に、線１８に沿って機械的に割断することにより、被加工物２を個々の部品に分割することができる。材料変性部８の領域は、図１では一般的に、垂直に延在する線によって示されている。被加工物２は、好ましくはガラスまたはガラスセラミック基板である。シリコン、プラスチック、ラミネート、およびパイプも、本発明によって処理可能である。
【００３５】
複数の平行に隣り合って延在する線１８は、位置決め装置により、部分ビームの入射方向に対して垂直に被加工物２を移動させることによって生成される。ビーム源として使用されるレーザのパルス間またはバースト間の休止時間と、被加工物と本発明による装置との間の相対速度と、の間で調整を行うことにより、線９と変性部８との間の水平方向の間隔を設定することができる。
【００３６】
これに代わる実施形態では、被加工物が、レーザによる変性中に光軸の方向に移動させられ、これによって１つの連続的な材料変性部がもたらされる。続いて、この変性部をエッチングによって開放することができる。これによって厚いガラスの中に、２００ｍｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、特に好ましくは５０μｍ未満、非常に特に好ましくは２０μｍ未満の直径を有するフィラメント様のチャネルが生成される。
【００３７】
変性部８同士は、水平方向では間隔３１を置いて配置されており、垂直方向では間隔３２を置いて配置されている。線９に沿った変性部８同士の垂直方向の間隔３２は、１μｍ〜１００μｍの範囲である。変性部は、２つの部分ビーム４１と４２とが干渉した結果として生じるものであるので、変性部８同士の垂直方向の間隔３２、すなわち、線９に沿った変性部８の密集度は、０次干渉領域と１次干渉領域との間のエネルギ比を調整することによって設定可能である。１次の強度を０次の強度に比べて増加させると、垂直方向の間隔３２が減少する。これによって１つのフィラメント様の変性チャネルが生成され、この変性チャネルを、材料のエッチングによって開放することができる。変性部８の中心同士は、垂直方向の中心間間隔３３を有する。変性部の直径は、０．２μｍ〜５μｍの範囲である。直径は、チャネル自体に関連している。チャネルの周りの応力ゾーンは、材料の中にさらに伸長することがある。
【００３８】
全体として、被加工物の材料中には、材料圧密部と材料疎薄部との規則的なパターンが生じ、材料圧密部の引張応力ゾーンと、材料疎薄部の引張応力ゾーンと、は重なり合っていて非常に強力であるので、被加工物の平面に沿って亀裂が伝播し、この平面に沿った後々の割断が可能となる。
【００３９】
線形の平行に延在する変性部を生成する代わりに、平坦な基板において、規則的または不規則な輪郭を有する内側−外側の切り抜きを生成するためにも、本発明による方法を利用することができる。このことは、補助用の切れ込みを生成しても生成しなくても実施可能である。
【００４０】
さらに、本発明による方法により、フロートガラス、ダウンドローガラス、およびオーバーフロー溶融ガラスのビードを、低温領域および高温領域（ガラス温度Ｔ＜上側の冷却点）にインラインで分割することができる。ダウンドローガラスおよびフロートガラスの場合には、比較的厚い厚さを有するガラスを処理することができる。ガラスリボンの幅の変動は、レーザビームを変化させる光学系が、ユニットとして可動式のブリッジに取り付けられることによって補償される。これが可能であるのは、任意の長さの破線焦点を生成することができるからである。したがって、ダウンドローガラス、オーバーフロー溶融ガラス、またはフロートガラスの厚さよりも焦点が長い場合には、厚さの変動を、再制御または再調整することなく焦点の長さによるだけで補償することができる。
【００４１】
縦断面におけるビードの分割またはリボンの仕立ては、ロールツーロールプロセスの範囲内でも実施可能である。ガラスリボンは、例えば保護コーティングのようなコーティングを有することもできる。
【００４２】
図３の被加工物２の顕微鏡写真において、変性部８が示されており、部分ビームは、ここでは上から破線焦点の照射方向５１に照射された。ここでも、被加工物２の材料中に生成された変性部は、垂直方向の中心間間隔３３を有する。この垂直方向の中心間間隔３３は、図示の例では１６０μｍである。
【００４３】
以下で説明する図面では、部分ビーム４１，４２の入射方向には常にｚが付されており、これは、図３の破線焦点の入射方向５１に対応する。
【００４４】
図３は、割断平面または割断縁部１７を示す。割断平面または割断縁部１７は、規則的に鎖状に相前後して配置された材料変性部からなる複数の互いに隣り合って位置する線を有し、これらの材料変性部は、線に沿った１〜１００μｍの中心間間隔と、０．２〜５μｍの直径と、を有し、それぞれ圧密ゾーン１６によって取り囲まれている。
【００４５】
図４の部分図（ａ）は、ビーム方向ｚにおける変性部８の延び具合を概略的に示す。変性部８を有する複数の圧密ゾーンまたは干渉ゾーン１６が示されている。これらの圧密ゾーンまたは干渉ゾーン１６は、それぞれ垂直方向の間隔３２または垂直方向の中心間間隔３３を置いて配置されている。複数の変性部８が１つの線１８を形成しており、この線１８に沿って機械的に割断することにより、被加工物２を分割することができる。
【００４６】
図４の部分図（ｂ）には、同じ構造が、ｚ軸に沿った、すなわち部分ビームの入射方向に沿った上面図で示されている。材料変性部１７を有する３つの圧密ゾーン１６が示されており、これらの材料変性部１７は、それぞれ水平方向の間隔３１を置いて配置されている。
【００４７】
図５の部分図（ａ）は、ビーム方向ｚにおいて、ここには図示されていない光学系によって生成された２つの部分ビーム４１および４２の位置を示す。部分ビーム４２は、直径４８を有する中央ビームである。部分ビーム４１は、直径６３を有するリングビームである。
【００４８】
図５の部分図（ｂ）に側面図で示されているように、部分ビーム４１と４２とは、長さ６６を有する干渉領域４３において干渉し合う。リング形の部分ビーム４１は、開き角６４を有し、この開き角６４は、図示されていない光学系の幾何形状に依存する。リング形の部分ビーム４１は、ベッセルビームまたはベッセルガウスビームである。
【００４９】
図５の部分図（ｂ）に示されているビーム経過は、図６では、被加工物２の材料の内部において示されている。直径６５を有する部分ビーム４２は、中央ビームとして材料の中央を通過する。部分ビーム４２は、干渉領域４３において、直径６３を有するリング形の部分ビーム４１と干渉し合う。被加工物２の材料中における所期の変性は、干渉領域４３の内部で発生する。
【００５０】
光学系の特定の構成に限定されることなく、２つの部分ビームが、すなわちとりわけリングビームと中央ビームとが、同等の強度を有するように、レーザ光が分割されることが特に好ましい。同等の強度とは、強度の差が５倍以下、好ましくは３倍以下、とりわけ好ましくは１．５倍以下であると理解される。これにより、被加工物の内部で重畳する部分ビームの干渉パターンで、強力な強度変化が生じることが達成される。
【００５１】
ベッセルビームを生成するために、例えばアキシコンによってリングビームが部分ビーム４１に成形され、次いで、この部分ビーム４１が線形のベッセル焦点を形成し、今度はこのベッセル焦点が、縦長の干渉領域４３において、第２の部分ビーム４２である中央ビームと干渉させられる。干渉領域４３の長さＬ（６６）は、リングビームの直径Ｄｒと、リングビームの開き角２α（参照符号６４）と、によって、Ｌ＝Ｄｒ／ｔａｎαに設定される。
【００５２】
図６は、屈折率ｎを有する基板１の構造化されるべき材料中に集束させられる際に、ビーム特性がどのように変化するかを示す。実質的に、材料中の開き角（参照符号７１）α’は、ｓｉｎα＝ｎｓｉｎα’の屈折の法則によれば、空気中の開き角αよりも小さくなる。
【表１】
2021513951.tif 000003
【００５３】
図７において、図６の状況は、レーザビームを通る縦断面における強度分布として示されている。ビーム方向ｚに、複数の相前後して配置された強度最大値４５が延在しており、これらの強度最大値４５は、ベッセルガウスビーム４１と中央ビーム４２との干渉によって引き起こされる。干渉領域４３の強度最大値４５は、それぞれ間隔３３を置いて位置している。
【００５４】
干渉によって生成される強度最大値の間隔３３の周期は、ビーム源の中心波長λと、リングビームの開き角２αと、によって、
Ｐ＝２λ／ｓｉｎ２α
に設定されている。
【００５５】
本発明の好ましい実施形態によれば、干渉ゾーンは、部分ビーム４１，４２のレーザ波長と、ビームパラメータ（とりわけ開き角）と、を適切に選択することによって、すべての変性部ｉの個々の長さｌｉの合計（ビーム方向で測定した場合）を基板の厚さｄで割った商ωが、好ましい実施形態によれば０．５を超えるように、好ましくは０．７を超えるように、特に好ましくは０．９を超えるように、形成される。
【００５６】
したがって、本発明の１つの実施形態によれば、本発明による被加工物２は、線１８に沿って複数の材料変性部１７を有し、これに関して、
【数１】
2021513951.tif 000004
が当てはまり、なお、ｋ＝０．５、好ましくはｋ＝０．７、特に好ましくはｋ＝０．９、非常に特に好ましくはｋ＝０．９５である。
【００５７】
図８は、平凸アキシコン９１を含む光学系６の第１の実施形態を示す。直径４８を有するレーザビームが、アキシコン９１の平坦側９５に入射し、このアキシコン９１によって、直径６３を有するリング形の部分ビーム４１と、直径６５を有する中央に延在する部分ビーム４２と、に分割される。アキシコンの凸側９６は、切頭円錐の形状を有する。２つの部分ビーム４１と４２とは、干渉領域４３において干渉し合う。図７に示されているように、干渉領域４３は、アキシコン９１の光軸に沿って周期的な間隔で繰り返されている。アキシコンの幾何学的パラメータを変更することにより、干渉領域４３の位置および範囲に対して影響を与えることができる。このような幾何学的パラメータには、アキシコン９１の凸側９６を形成する切頭円錐の母線の傾きと高さとが含まれる。
【００５８】
切頭平面の幅に対するビーム幅４８の比は、２つの部分ビーム４１および４２の出力比を決定する。好ましくは、上記の比は、これらの部分ビームができるだけ同じ出力を有するように選択可能である。したがって、本発明の発展形態では、切頭平面に対するビーム幅４８の比を、部分ビーム４１，４２の出力比が０．７５〜１．２５の範囲になるように選択可能である。上記の比は、関連する光学要素の構成および配置によって、とりわけ切頭アキシコンの形状によって調整可能である。
【００５９】
図９の光学系６の実施形態では、平凸アキシコン９１は、凸側９５が入射ビームの方を向くように、かつ平坦側９６が入射レーザビームとは逆の方向を向くように、ビーム光路上に配置される。アキシコン９１をこのように配置した場合にも、入射レーザビームが２つの部分ビーム４１および４２に分割され、これら２つの部分ビーム４１と４２とが干渉領域４３において干渉し合う。図９の配置の場合には、干渉領域４３は、図８の配置の場合よりもアキシコン９１のより近くに位置している。
【００６０】
図１０の光学系６の実施形態では、平凸アキシコン９２が使用され、この平凸アキシコン９２の凸側９９は、円錐の形状を有する。アキシコン９２の平坦側１００の中央に、ガラス円錐９８が配置されている。ここでも、凸側９９が、リング形の部分ビーム４１を生成する。平坦側１００に設けられた円錐構造体９８によって、互いに対して平行に、かつ光軸に対して平行に延在する２つの中央ビーム１０４ａおよび１０４ｂが生成される。２つの中央ビーム１０４ａおよび１０４ｂは、２つの干渉領域１０５ａおよび１０５ｂにおいて部分ビーム４１と干渉し合い、これら２つの干渉領域１０５ａおよび１０５ｂも、光軸に対して平行に延在している。干渉領域１０５ａおよび１０５ｂは、さらなるビーム経過にわたって周期的に繰り返し生じる。
【００６１】
図１１の光学系６の実施形態では、凸凹アキシコン９３が使用される。ここでも、凸側１０１は、切頭円錐の形状を有する。凹側１０２の輪郭は、切頭円錐の形状を有する。アキシコン９３は、空気が充填された中央領域１０３を中央に有し、入射レーザビームは、この中央領域１０３を無影響に通過して、中央に延在する部分ビーム４２を形成する。この実施形態においても、アキシコン９３は、リング形の部分ビーム４１を生成し、このリング形の部分ビーム４１は、干渉領域４３において中央ビーム４２と干渉し合う。干渉領域４３は、さらなるビーム経過にわたって周期的に繰り返し生じる。
【００６２】
図１２の光学系６の実施形態では、第１の凸側１０６および第２の凸側１０７を有する両凸アキシコン９４が使用される。２つの凸側１０６および１０７は、それぞれ切頭円錐の形状を示しているが、母面の傾き角がそれぞれ異なっている。さらに、中央開口部１０３が設けられており、この中央開口部１０３は、入射レーザビームを無影響に通過させ、これによって中央に延在する部分ビーム４２を生成する。部分ビーム４２は、干渉領域４３においてリング形の部分ビーム４１と干渉し合う。干渉領域４３は、さらなるビーム経過にわたって周期的に繰り返し生じる。
【００６３】
図１３の光学系６の実施形態では、第１のアキシコン９１ａと、第２のアキシコン９１ｂと、第３のアキシコン９１ｃと、が使用される。第１のアキシコン９１ａの平坦側は、入射ビームの方を向いており、図８に示されている実施形態と同様に、リング形の部分ビーム４１ａおよび中央ビーム４２ａを生成し、リング形の部分ビーム４１ａと中央ビーム４２ａとが、干渉領域４３ａにおいて重畳している。第２のアキシコン９１ｂの凸側は、入射ビームの方を向いており、２つの部分ビーム４１ａおよび４２ａを、平行に延在するビームに変換し、この平行に延在するビームは、第２のアキシコン９１ｂの平坦側から出射し、続いて、第３のアキシコン９１ｃの平坦側に入射し、この第３のアキシコン９１ｃによって、部分ビーム４１ｂと、中央に延在する部分ビーム４２ｂと、に分割される。部分ビーム４１ｂと４２ｂとは、処理されるべき被加工物の内部に位置する干渉領域４３ｂにおいて干渉し合う。干渉領域４３ｂは、さらなるビーム経過にわたって周期的に繰り返し生じる。
【００６４】
図１４の光学系６の実施形態では、アキシコンは、同心リング格子として構成されている。このことはつまり、アキシコンが、位相マスクであるガラス体８１からなっていて、このガラス体８１に、溝高さ８２を有する溝が設けられていることを意味し、このことは、図１６に垂直断面の側面図で示されている。
【００６５】
ビーム方向におけるガラス体８１の正面図では、溝の最も高い箇所が、同心リングとして現れている（図１４）。図１５は、同心リング格子として構成されたガラス体８１を使用した場合におけるビーム光路を示す。直径４８を有するレーザビームが格子に入射し、部分ビーム４１と４２とに分割される。部分ビーム４２は、直径４７を有し、このことはつまり、部分ビーム４２が、実質的にガラス体８１またはリング格子として構成されたアキシコンの直径全体にわたって延在していることを意味する。部分ビーム４１と４２とは、８１の平坦側から出射し、干渉領域４３において干渉し合い、干渉領域４３は、処理されるべき被加工物の材料中において、ビーム方向に周期的に繰り返し生じる。
【００６６】
図１７の光学系６の実施形態によれば、同心リング格子として構成された３つのアキシコンまたはガラス体、すなわち第１のガラス体８１ａと、第２のガラス体８１ｂと、第３のガラス体８１ｃと、が使用される。第２のガラス体８１ｂおよび第３のガラス体８１ｃの両方は、それぞれ中央に配置された中央領域１１０ａまたは１１０ｂを含む。これらの中央領域１１０ａおよび１１０ｂの下および上には、ガラス体８１ｂおよび８１ｃの、同心リング格子として構成された領域が位置している。
【００６７】
入射レーザビームは、まず始めに第１のアキシコン８１ａに入射し、この第１のアキシコン８１ａによって、光軸に対して斜めに延在するリング形のビーム１１１に変換される。ビーム１１１は、第２のアキシコン８１ｂによって管状に延在する部分ビーム１１２に変換され、今度はこの管状に延在する部分ビーム１１２が、第３のアキシコンまたはガラス体８１ｃによって部分ビーム４１に変換される。第２のガラス体８１ｂと第３のガラス体８１ｃとの間には、中央に延在する部分ビーム４２をさらに成形するために、ビーム変換器８３が配置されている。ビーム変換器８３は、例えば、望遠鏡またはビーム減衰器とすることができる。既述した光学系６の実施形態のように、部分ビーム４１と４２とは、干渉領域４３において干渉し合い、干渉領域４３は、さらなるビーム経過にわたって周期的に繰り返し生じる。
【００６８】
光学系６の種々の実施形態に基づいて上述した装置は、被加工物２の分割を準備するための方法を実施するために使用される。パルス状のレーザビームの光に対して透明である被加工物２が用意された後、レーザビームは、光学系６によって少なくとも２つの部分ビーム４１，４２に分割される。２つの部分ビーム４１，４２は、照射される表面２１の法線に対してそれぞれ異なる角度で被加工物２に入射するように、かつ被加工物２の内部で重畳するように、被加工物２へと向けられる。部分ビーム４１，４２は、当該部分ビーム４１，４２の重畳領域４３に沿って相前後して並んだ一連の強度最大値４５が被加工物２の内部に形成されるように、互いに重畳または干渉し合う。強度最大値４５における強度は、被加工物２の材料が変性させられて、材料変性部８の鎖状の周期的な配列９が形成されるほど高い。その間に、被加工物２と部分ビーム４１，４２とは、分割線１１を形成する経路に沿って位置する複数の材料変性部８の鎖状の周期的な配列９が生成されるように、互いに対して相対的に移動させられる。後々の工程で、分割線１１に沿って機械的に割断することにより、被加工物２を複数の部品に分割することができる。
【００６９】
図５，図６，図８〜図１３および図１７の実施例は、ビームの方向に延在する周期的に変調される焦点を生成し、ひいては、周期的に中断される細長い線形の変性ゾーンを生成するために、部分ビームである円錐状のビームまたはベッセル状のビームが干渉させられるという点で共通している。他のビーム形状も考えられるが、これも、本発明の特に好ましい実施形態である。したがって、実施例に限定されることなく一般的に、本発明の好ましい発展形態として、部分ビームのうちの一方４１は、アキシコンによって生成されたビームまたはベッセルビームであり、第１の部分ビームが線焦点を形成している領域において、第２の部分ビーム４２が第１の部分ビームと重畳させられる。
【００７０】
前述した各実施例はさらに、第２の部分ビームが平行ビームである点において共通している。したがって、さらなる好ましい実施形態によれば、第２の部分ビーム４２が平行ビームとして成形される。ここでも、他の変形例が考えられる。したがって、それぞれ異なる先端角度が付けられた２つのアキシコンが、部分ビームを生成するようにしてもよい。したがって、この場合には、それぞれ異なる収束角度を有する２つのベッセル状のビームまたは２つの円錐状のビームが干渉させられることとなろう。図面からも分かるように、本発明のさらなる発展形態によれば、互いに同一線上にある部分ビーム４１，４２が一般的に好ましい。
【００７１】
図１８は、さらなる実施例を示し、ここでは、図面の左から入射したレーザビームが要素１２０に入射し、この要素１２０は、−一般性を制限することなく−反射格子または位相マスクとして、すなわち一般的には、回折作用を有する光学要素として構成されている。対応する変換装置も可能である。要素１２０から発せられた０次および±１次の部分ビーム４１，４２は、本実施例では４ｆ構造として配置されている後続の２レンズ式のレンズ系によって、干渉領域４３において重畳させられる。レンズ系は、焦点距離１２３を有する結像レンズ１２１と、焦点距離１２４を有する対物レンズ１２２と、を含む。結像レンズ１２１の後方には、焦点距離１２３の間隔を置いて、４ｆ構造のフーリエ平面１２５が位置している。一般的に、図示の例に限定されることなく、本発明の１つの実施形態によれば、光学系６は、レーザビームを、０次も含み得る、複数の（２つ以上の）それぞれ異なる回折次数によって形成される部分ビームに分割する回折要素を含み、光学系はさらに、これらの部分ビームが、被加工物中において重畳させられるように構成されている。
【００７２】
図１９のさらなる実施形態では、入射ガウスビーム４の強度は、２つの平凸アキシコン１３１および１３２を適切に配置することによって（第１のアキシコン配列１３０：アキシコン１３１および１３２の凸側または上面が互いに向かい合う）、まず始めにドーナツビーム／リングビーム１７０に変換される。ビームは、ドーナツビームまたはリングビーム１７０と称され、このドーナツビームまたはリングビーム１７０のビームプロファイルは、ビーム軸上では強度消失を有するが、ビーム軸の周りの円形リング上では少なくとも１つの強度最大値を有する。リング形の強度最大値の直径は、このアキシコン配列１３０における２つのアキシコン１３１，１３２の相互の間隔によって、かつ／または２つのアキシコン１３１，１３２の互いの間隔によって決定される。ドーナツビーム１７０は、さらなる光学要素に、好ましくは切頭先端を有する逆アキシコン１３５に、または平行平面板と逆切頭アキシコン（第３のアキシコン１３５）とを接合させた組み合わせに入射し、このさらなる光学要素により、発散性のリング形の部分ビーム１８０と、偏向させられていない中央ビーム１９０と、に分割される。次に、発散性のリングビーム１８０は、（２つの互いに離間された平凸アキシコン１４１および１４２を有する）第２のアキシコン配列１４０によってまず始めに平行化され、続いて、偏向させられていない中央ビームと共に光軸上で再び収束させられる。重畳ボリューム／干渉ボリュームの位置は、第２のアキシコン配列１４０の最後のアキシコン１４２の位置によって決定される。干渉ボリューム内の破線焦点１６５の周期は、上記と同様に、リングビームの収束角度から得られ、中央ビーム１９０およびリングビーム１８０の出力成分は、アキシコン１３５に入射するビームのビーム直径に対する、利用されるアキシコン１３５の切頭円錐平面の比によって調整可能である（図２０）。もちろん、第２のアキシコン配列１４０において、２つのアキシコン１４１，１４２の代わりに切頭アキシコンを使用することも可能であり、このことは、一般的にビーム品質のさらなる改善をもたらす。
【００７３】
図２０は、例として、第１のアキシコン配列１３０の出力部におけるドーナツビーム１７０の可能な強度分布を示し、図２０の右側には、切頭アキシコン１４５の凹側に対するドーナツビーム１７０のビーム平面およびビーム出力の投影図を示す。アキシコン１４５の中央の切頭平面１４８を通過するビームの成分が大きくなるにつれて、中央ビーム１９０の強度が大きくなり、ひいては破線状の焦点線の発現、すなわちコントラスト比が強力になる。入射するリングビーム１８０の内側直径、すなわち自由直径が、プリズムの切頭上面の直径Ｄｐｌａｎよりも大きい場合には、ベッセルビームの、先行技術から公知の直線状の途切れのない焦点が、干渉ボリューム内に形成される。
【００７４】
図１９の第１のアキシコン配列１３０の、好ましくはガラスから製造されるアキシコン１３１，１３２の代わりに、それぞれ、回折アキシコン、リング格子、または（例えば、米国特許第８３３５０３４号明細書に記載されているような）螺旋位相板１５１または１５２を使用すると、さらなる実施形態が得られる（図２１）。２つの螺旋位相板１５１，１５２は、ドーナツビームを生成するための配列１５０を形成している。図１９に示されている実施形態の第１のアキシコン配列１３０も、ドーナツビームを生成するためのそのような配列１５０である。螺旋位相板を使用する場合には、好ましくは、第１の螺旋位相板１５１によって生成されたリングビーム１８０を、第２の螺旋位相板１５２によって平行化できるようにするために、螺旋位相板１５１，１５２の回転方向が互いに逆向きに方向決めされていることに注意すべきである。
【００７５】
図１９および図２１の例は、ドーナツビームを生成するための配列１５０が、焦点で干渉させられる部分ビームの強度を調整可能にする、切頭円錐アキシコン１３５と組み合わせられているという点において共通している。したがって、１つの実施形態では、被加工物２の分割を準備するための装置は、ドーナツビームまたはリングビーム１７０を生成するための配列１５０を有し、ドーナツビームまたはリングビーム１７０のビームプロファイルは、ビーム軸上では強度消失を有するが、ビーム軸の周りの円形リング上では強度最大値を有し、当該装置は、ビーム方向において配列１５０の下流に配置された切頭円錐アキシコンを有し、切頭円錐アキシコンは、リングビーム１７０を中央ビーム１９０とリングビームとに分割し、中央ビーム１９０およびリングビーム１８０の出力成分は、アキシコンに入射するリングビーム１７０のビーム直径に対するアキシコン１３５の切頭円錐平面の比によって調整可能である。
【００７６】
図１９および図２１の実施例はさらに、アキシコン１３５，１４１，１４２のトリプレットという点で共通しており、これらのアキシコン１３５，１４１，１４２によって、まず始めに発散性のリングビーム１８０が生成され、次いで、アキシコン１４１によって偏向されて、軸平行なビームが生成され、続いて、最後のアキシコン１４２によって集束させられ、これにより、偏向されていない中央ビームと共に光軸上で再び収束させられる。したがって、本発明のさらに別の実施形態では、特定の例に限定されることなく、光学系６は、３つの相前後して接続されたアキシコン１３５，１４１，１４２を有するアキシコントリプレットを含み、ビームの方向において最初にあるアキシコン１３５は、発散性のリングビームを生成し、発散性のリングビームは、後続するアキシコン１４１によって平行化され、アキシコントリプレットの最後のアキシコン１４２によって収束性のリングビームに変換される。中央の偏向されていないビームを、アキシコンの開口部を介してアキシコンを通るように案内することもできる。さらに、トリプレットの第１のアキシコン１３５は、必ずしも逆アキシコンでなくてもよい。凸アキシコンを使用し、中間焦点の通過後に発散性のビームを生成することも可能である。
【００７７】
焦点における強度分布に対して個々の光学要素が与える影響を推定可能にするために、１００ｍＷの平均ビーム出力で、Pharos UKPレーザ（１０３０ｎｍ，１００ｋＨｚの繰り返し周波数）の１０ｐｓパルス（４バースト）が順次に結像され、なお、変形例１では、まず始めに１つのアキシコンのみによって結像され、変形例２では、２つの位相板と１つのアキシコンとの組み合わせによって結像され、変形例３では、２つの位相板と３つのアキシコンとの組み合わせ（中央のアキシコンは、上述したように切頭アキシコンであり、すべてのアキシコンは、２０°の上底角度を有する）によって結像され、そして、顕微鏡対物レンズが被せ嵌められたカメラ（例えば、Coherent Lasercam HR型）を使用して、このカメラを光軸に沿って焦点領域にわたって連続的に移動させ、この際に、焦点におけるレーザビームの横方向の強度分布を記録することにより、焦点における強度分布が測定される。このようにして記録されたビデオから、相対単位での焦点領域における光軸上の強度分布を特定することができる。
【００７８】
図２２は、このようにして測定された強度分布を焦点線に沿って示す。
【００７９】
図２２の部分図（ａ）は、変形例１（アキシコンによって入射ガウスビームを集束させる）における強度分布と、変形例２（ガウスビームをリングビームに変換し、続いて、アキシコンによって集束させる）における強度分布と、を示し、これらの強度分布は、光軸に沿った長手方向において非常に類似した推移を有する。これに対して、部分図（ｂ）は、変形例３（複数の位相板の組み合わせによって生成されたリングビームを３つのアキシコンによって結像させ、アキシコンのうちの１つは、切頭アキシコン１３５であり、２つのアキシコン１４１および１４２は、第２のアキシコン配列１４０を形成する）を使用した場合における、焦点領域における光軸に沿った強度分布を示す。この場合、強度分布の包絡線は、変形例２と同様の特徴（光学系に面している側では強度増加が強力であり、光学系から離れている側では格段に緩慢に減少する）を有しているが、周期的に配置された多数の強度最大値および強度最小値が存在しており、強度最小値は、ゼロに近似する強度を有する。
【００８０】
図２３は、変形例１（右側の曲線であり、１つのアキシコンを用いる）または変形例３（左側の曲線であり、２つの位相板とアキシコントリプレットとによって破線焦点を生成する）に従ってフィラメント化された、厚さ１ｍｍのホウケイ酸ガラスにおける割断応力分布の変化を示す。このために、上で既述したPharosレーザによって３．５μｍのピッチで材料変性部が導入された（１０３０ｎｍ／繰り返し周波数１ｋＨｚ／平均パルス出力９８０ｍＷ／パルス持続時間１０ｐｓ／４バーストパルス）。その結果、割断応力が大幅に減少した。すなわち、例えば、９５％の割断確率では、破線焦点によって材料処理した場合における割断応力は、純粋にアキシコンを有する配列によって生成されたベッセルビームによって処理した場合に比べて約１５％低くなった。
【符号の説明】
【００８１】
２  被加工物
３  レーザ
４  レーザビーム
６  光学系
８  材料変性部
９  ８の周期的な配列
１１  分割線
１３  位置決め装置
１６  圧密ゾーン
１７  割断縁部
１８  平行に延在する線
１９  材料変性部を有する平面
４１，４２  部分ビーム
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ  複数のアキシコンを使用した場合における部分ビーム
２１  ２の表面
２２，２４  ２の平面
３１  変性部同士の水平方向の間隔
３２  変性部同士の垂直方向の間隔
３３  変性部同士の垂直方向の中心間間隔
４３  ４１，４２の重畳領域または干渉領域
４３ａ，４３ｂ  複数のアキシコンを使用した場合における重畳領域または干渉領域
４５  強度最大値
４７  ４２の直径
４８  レーザビームの直径
６３  ４１の直径
６４  ４１の開き角
６６  ４５の長さ
５１  破線焦点の入射方向
７１  ２の材料中における４１の開き角
８１  位相マスクのガラス体
８１ａ，８１ｂ，８１ｃ  同心リング格子として構成されたアキシコン
８２  位相マスクの溝高さ
８３  ビーム変換器
９１  平凸アキシコン
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ  複数のアキシコンを使用した場合における平凸アキシコン
９２  平坦側に設けられた円錐構造体を有する平凸アキシコン
９３  凸凹アキシコン
９４  両凸アキシコン
９５  ９１の平坦側
９６  ９１の凸側
９８  ９７の平坦側に設けられた円錐構造体
９９  ９７の凸側
１００  ９２の平担側
１０１  ９３の凸側
１０２  ９３の凹側
１０３  ９３の中央開口部
１０４ａ，１０４ｂ  ９２を使用した場合における中央ビーム
１０５ａ，１０５ｂ  ９２を使用した場合における干渉領域
１０６  ９４の第１の凸側
１０７  ９４の第２の凸側
１０８  ９４の中央領域
１０９  ８１の平坦側
１１０ａ，１１０ｂ  ８１の平坦な中央領域
１１１  部分ビーム
１２０  回折作用を有する要素
１２１  結像レンズ
１２２  対物レンズ
１２３  １２１の焦点距離
１２４  １２２の焦点距離
１２５  ４ｆ構造のフーリエ平面
１３０  第１のアキシコン配列
１３１  １３０の第１のアキシコン
１３２  １３０の第２のアキシコン
１３５  第３のアキシコン
１４０  第２のアキシコン配列
１４１  １４０の第１のアキシコン
１４２  １４０の第２のアキシコン
１４５  平切頭アキシコン
１４８  １４５の平坦な平面
１５０  ドーナツビームを生成するための装置
１５１  １５０の第１の螺旋位相板
１５２  １５０の第２の螺旋位相板
１６５  破線焦点
１７０  ドーナツビーム
１８０  リングビーム
１９０  中央ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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