[发明专利]用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机

说明书

在根据本发明的用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的方法中，一个或多个UKP激光脉冲(5)穿过工件表面(11)被聚焦到激光可透过的工件(2)中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部(12)，其中，所述一个或多个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得熔化的改型部(12)的最上部刚好接触工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。

技术领域

本发明涉及一种用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的方法。

背景技术

具有小于10ps的脉冲持续时间的超短脉冲(UKP)激光辐射越来越多地被用于材料加工。借助UKP激光辐射进行材料加工的特点在于，激光辐射与工件的短的相互作用时间。借助超短(UKP)激光脉冲对激光可透过的玻璃进行激光焊接能够在没有附加材料投入的情况下实现稳定的连接，但受由激光感应的瞬态以及持久的电压限制。背景是借助超短激光脉冲局部地熔化材料。如果将超短激光脉冲聚焦到玻璃，例如石英玻璃的体积中，则在焦点中存在的高强度会导致非线性的吸收过程，由此，根据激光参数能够引起不同的材料改型部。如果时间上的脉冲间隔比玻璃的典型热扩散时间更短，则焦点区域中的温度逐脉冲地提高(所谓的热累积)并且能够导致局部熔化。如果将改型部置于两个玻璃的边界面中，则冷却的熔融物产生两个样品的稳定连接。

由 Richter的文章《走进无光学接触的玻璃激光焊接》(应用物理2015)(“Toward laser welding of glasses without optical contacting”(Appl.Phys.A2015))和 Richter的论文《使用超短激光脉冲以高重复率对透明材料进行直接激光粘合》(耶拿大学)“Direct laser bonding of transparent materials usingultrashort laser pulses at high repetition rates”(FSU University Jena)已知，在激光接合时通过由激光引起的改型部来跨接两个彼此重叠的玻璃板之间的缝隙，所述改型部从一个接合配对的接合面拱曲直至与另一个接合配对的接合面材料锁合地连接。

发明内容

本发明提出以下任务，在激光可透过的工件上产生可重复的稳定的表面结构，尤其呈截球及其衍生物的形式，所述表面结构具有几μm的高度并且无需附加的下级结构，以及本发明给出一种适合于此的激光加工机。

根据本发明，该任务通过一种用于借助呈UKP激光脉冲形式的脉冲激光束在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的方法来解决，其中，至少一个UKP激光脉冲穿过工件表面被聚焦到激光可透过的工件中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部，并且其中，所述至少一个UKP激光脉冲的脉冲参数和激光焦点在工件中的深度这样地选择，使得熔化的改型部的最上部刚好接触工件表面，并且工件表面由于熔化的改型部的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构。在唯一的UKP激光脉冲的情况下，根据本发明在没有热累积的情况下产生改型部，其中，脉冲能量必须匹配得非常好：如果该脉冲能量太低，则仅形成折射率改变；如果该脉冲能量太高，则感应的电压太高，并且全部裂开。

特别优选地，多个UKP激光脉冲穿过工件表面被聚焦到激光可透过的工件中，以便在工件内部通过逐步地加热焦点体积来熔化改型部，其中，多个UKP激光脉冲的脉冲参数和激光焦点在工件中的深度这样地选择，使得熔化的改型部的最上部刚好接触工件表面，并且工件表面由于熔化的改型部的材料热膨胀向外拱曲成凸形的表面结构。根据本发明，多个超短激光脉冲以短时间的脉冲间隔聚焦到工件内部材料中；由于非线性的相互作用和相继的激光脉冲的热累积，焦点体积被加热，并且在工件中形成典型的液滴状改型部。如果正确地选择释放的能量(由脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲间隔、聚焦、波长给定)并且正确地放置改型部，则改型部的最上部刚好接触工件表面。然后，材料热膨胀引起使表面向外拱曲。