用於通過雷射剝除使輥結構化的裝置和方法與流程

2024-01-29 11:40:15 1

本發明涉及一種用於通過雷射剝除來對輥進行結構化的裝置，該裝置具有：輥容納設備，其設置用於容納待結構化的輥；雷射源，其設置用於產生一系列雷射脈衝；以及光學系統，其設置用於將從雷射源產生的雷射脈衝對準到容納在輥容納設備中的輥的表面上。此外，本發明還涉及到一種用於通過雷射剝除、特別是通過使用前述的裝置來對輥進行結構化的方法，其中以光學系統來將雷射脈衝對準到待結構化的輥的表面上，從而在通過雷射脈衝照射的加工場中通過雷射剝除將輥結構化。

背景技術：

為了製造例如像是具有結構化(紋理化的)表面的鋼板這樣的扁平製品，在現有技術中使用到了所謂的修整輥，這些修整輥具有結構化的表面。這些結構化的表面在軋製品上滾軋過程中產生傳遞，從而在軋製品上產生相應的表面結構化。

為了給像是前述的修整輥這樣的輥配設適合的表面結構，現有技術中已知不同的方法。這些方法總體上分為用於製造確定性的表面結構的方法以及用於製造隨機的表面結構的方法。

為了製造隨機的表面結構尤其使用到噴丸法(Shot-Blast-Verfahren)，其中將由硬鑄物組成的、有稜角的鋼粒拋擲到旋轉中的輥的待結構化的輥表面上。這樣得到的粗糙結構與類似山形的、相互過渡的、塑料的單一變形處的隨機分布相應。然而由於過程參數的過大的分散範圍，這種噴丸法的可再現性是不足夠的。

用於以隨機的表面結構來製造結構化的薄板的另一方法從發表物「Stahl und Eisen(鋼和鐵)」118(1998)編號.3，第75-80頁中已知。在此，用於薄板結構化的輥在封閉的反應系統中以耐磨的鉻-多層系統覆層。鉻-多層系統的粗糙結構的特徵在於不同大小的半球的相對均勻的隨機分布，其在修整時以相應的拱頂的形狀傳遞到薄板上。

用於製造具有隨機的表面結構的結構化的扁平製品、特別是薄板的另一中方法從EP 2 006 037 B1中已知。在此，用於薄板結構化的輥藉助於電火花結構化(Electro Discharge Texturing,EDT)而結構化。在該方法中，通過電火花來使輥表面粗糙化。這通過使工作輥在一個槽內引導經過側向擺動的電極而實現，介電質(例如油)位於該槽內。在電極與輥之間短暫地、可能周期性地在電機與輥之間施加既定的電壓。在此，由電解質構成的電荷載體(離子)通過電火花通道出來加速向輥表面並產生凹處。在這種類型的輥結構化中，輥的轉動用作快速的偏轉軸。確定性的結構化不能藉助於這類EDT設備實現，因為這涉及到的是一種隨機的電火花工藝。

從CN 101642778 B中已知另一種用於使輥表面結構化的方法。

從DE 10 2012 017703 A1的現有技術中已知一種方法，通過該方法能夠確定性地使修整輥結構化。在此藉助於脈衝的雷射射線在修整輥上製造期望的結構。針對該目的使聚焦的雷射束移動經過轉動的輥，該雷射束在表面上的直徑與結構尺寸相應。輥的轉動在此通常是快速的偏轉軸和雷射射線橫向移動，即，在輥軸方向上的運動、緩慢的偏轉軸，從而使雷射束幾乎螺旋狀地掃描輥表面。

通過雷射脈衝照射的區域中，由於脈衝的高強度而造成了局部的材料剝蝕，其特徵在於，直徑和剝蝕深度。雷射脈衝的放射能夠在對輥進行掃描的過程中通過調整以預設的方式打開或關閉，從而通過該方法基本上能夠在輥上製造任意一種結構。

通過雷射束或雷射脈衝傳遞到輥表面上的單位面積的能量稱為注量並且通常表示為J/cm2。能夠在基礎研究中為了每種輥材料確定出理想的單位面積的能量(注量)，其稱為最佳剝除注量Φo。最佳剝除注量Φo取決於材料和脈衝長度。在最佳剝除注量Φo的情況下達到了每個使用功率的最高剝除率(B.Lauer，B.Neuenschwander，B.Jaeggi，B.Schmid,「From fs-ns:Influence of he pulse duration onto the material removal rate and machining quality for metals」,ICALEO 2013,論文M309(2013))。

在現有技術中僅以一個雷射光斑在輥上進行掃描。在輥表面上所使用雷射的平均功率從以下公式中得出：

其中frep是雷射脈衝的重複率、W0是在輥的表面上通過雷射脈衝照射的面積的半徑並且由此A是通過雷射脈衝照射的面積。以雷射脈衝在輥表面上照射的或者能夠照射的面積總體上稱為相關的雷射脈衝的加工場。

為了照射大面積Aw、例如整個輥表面而所需的加工時間tw能夠如下地計算：

如公式(1)和(2)示出的，在使用高的平均功率Pm的情況下的加工時間tw能夠通過相應增大的重複率frep或照射的面積A而縮短。

在已知的用於結構化輥的脈衝的雷射束的方法中，使用到橢圓形的或者矩形的斑點並且因此使用到橢圓形的或矩形的加工場。為了在輥表面上製造確定的結構，系統性使斑點移動經過表面。斑點的最大直徑或最大側面長度通過兩個在輥表面上待生成的結構元素的最小間距而確定。因此斑點尺寸、也即通過雷射脈衝照射的面積A不能夠任意地增大，因為否則的話不能夠達到對於待製造的結構而言必要的解析度。

在現有技術中像是在cw雷射器的開發中一樣也在脈衝雷射器的情況下呈現出，原本僅幾10W的較小的平均功率Pm能夠升高到幾100W。因此原則上僅僅就平均功率Pm而言創造了對於短時間內結構化幾m2的表面大小的修正輥的前提條件。

然而證實出，在已知的方法中儘管使最大的平均功率Pm提高到平均幾100W，卻不能以脈衝雷射器來顯著縮短加工時間tw，因為frep和A為此所必需的升高當前出於以下原因而受限。

一方面，在(特別是在MHz範圍內的)高重複率frep的情況下，由於調控技術的限制而不再能夠接通這些單個脈衝。然而為了確保以複雜的圖案來儘可能快速地結構化，必須控制單個雷射脈衝的放射，換言之，必須能夠在兩個脈衝之間打開或關閉放射，從而為了在輥表面上製造特定的結構而例如僅使每第二個雷射脈衝到達輥表面。

如果這種切換並不足夠精確，那麼會導致在輥表面上剝離的期望位置與實際位置偏差。就此引起了，為了在輥表面上的一個且同一個位置上達到足夠的剝除深度可能必須定位多個雷射脈衝。因此在高重複率的情況下不再能夠確保結構的精準度。

因為通常將輥轉動用作快速偏轉軸，必須此外使雷射器的重複率適應於輥旋轉速率，以便於以單獨的雷射脈衝來掃描表面。然而在高重複率的情況下，由於機械的限制為了確保相應的脈衝間隔(即通過兩個前後相繼的脈衝而在輥表面上照射出的加工場的間距)而不再能夠達到輥的必要的偏轉速度。

在1MHz的重複率frep以及30μm的脈衝到脈衝的間隔的情況下，必須以30m/s來偏轉輥表面。通過大的幾何尺寸以及由此引起的大的重量而使得輥的轉動不能夠任意快速地實施。輥的轉動限制在約8轉每秒(U/s)。由此在輥直徑為約0.45m的情況下得到一個表面速度並且因此得到了最大11m/s的偏轉速度。

也通過由光學系統橫向地掃描輥，不能夠顯著提高偏轉速率。因此，在像是電流計式掃描器或多邊形掃描器等這樣的掃描器系統的情況下，出於機械原因而使偏轉速度受限。在該系統中，移動的部分的慣性對於最大偏轉速率是決定性的。例如在高加速的情況下，電流計式掃描器的鏡變形，由此使得雷射斑點在輥表面上的偏轉嚴重受影響。電子光學的以及聲光的系統(KTN、AOD等)不適合於雷射脈衝的高重複率和高峰值能量。就此，掃描理解為加工場位置的逐漸偏移。掃描儀或掃描儀系統相應地理解為這樣的系統，即，通過這些系統而實現了這樣的掃描，即，在輥表面上加工場位置的偏移。

為了儘管在重複率frep受限的情況下仍實現面積Aw的更短加工時間tw，替代性地能夠擴大通過光脈衝照射的加工場。然而為了在輥上施加特定的確定性的結構，卻不能夠任意地增大斑點大小，也就是說在表面上聚焦的直徑。在表面上的兩個結構元素的最小間距在此確定了最大斑點直徑。如果在兩個結構元素之間的最小間距例如為30μm，那麼能夠使表面上的雷射光斑具有30μm的最大直徑。由此能夠通過雷射脈衝而在輥表面上加工僅一個小的加工場，從而使每個光脈衝的加工場的面積A受限。

在現有技術中的該方法中，在沒有剝除的加工場中關閉雷射器並且沒有利用到為相應的雷射脈衝而提供的能量。由此，額外地減小了有效的重複率有效的重複率描述了輥表面實際上達到的＝時間單位的雷射脈衝的數量。該有效的重複率最大和雷射脈衝的重複率frep一樣大，然而通過雷射脈衝的洩漏而使待施加的結構相應地更小。

由於上述限制，在目前已知的方法中，並不能夠利用到雷射器的最大平均功率Pm。

技術實現要素：

在該背景下，本發明的目的在於，提供一種用於通過雷射剝除來對輥進行結構化的裝置以及方法，通過該方法縮短了加工時間tw並且更好地利用雷射器的最大平均功率Pm。

在用於通過雷射剝除使輥結構化的裝置中，該裝置具有：輥容納設備，其設置用於容納待結構化的輥；雷射源，其設置用於產生一系列雷射脈衝；以及光學系統，其設置用於將從雷射源產生的雷射脈衝對準到在輥容納設備中容納的輥的表面上，根據本發明達到這樣達到該目的，即，使光學系統包括光學元件，該光學元件設置用於修改雷射脈衝的空間上的強度圖形並且修改、特別是擴大通過雷射脈衝而在輥的表面上照射的加工場。

光學元件能夠特別設置用於使通過雷射脈衝而在輥表面上照射出的加工場根據對於由雷射脈衝的空間的強度圖形的修改而匹配。如果例如這樣修改雷射脈衝的空間上的強度圖形以使得雷射脈衝具有更低強度的範圍，那麼能夠例如相應地擴大照射的加工場，例如基本上擴大了通過該更低強度的區域照射在輥表面上的面積。

根據本發明，光學元件配置用於修改雷射脈衝空間上的強度圖形並且使通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場根據最大平均功率Pm而擴大和/或適應於得出最佳剝除注量Φo。

輥容納設備優選地構造為旋轉設備並且設置用於轉動輥。為此，輥容納設備優選地具有用於可旋轉地支撐輥軸的軸承以及用於驅動輥的旋轉驅動裝置。

雷射源優選涉及短脈衝雷射源或者超短脈衝雷射源。雷射源特別設置用於生成雷射脈衝，該雷射脈衝適用於對輥表面的雷射剝除。例如，作為雷射源能夠使用脈衝光纖雷射器，其具有500W的最大平均功率和在約1070nm的波長情況下具有約1μs的脈衝持續時間的約100kHz的脈衝重複頻率。

光學的系統優選地具有成像光學裝置，通過該裝置能夠將由雷射源產生的雷射脈衝成像到容納在輥容納設備中的輥的表面上。

光學元件為此構造用於修改雷射脈衝的空間上的強度圖形。雷射脈衝的空間的強度圖形理解為橫向於雷射脈衝的擴散方向的雷射脈衝的強度分布。通過對於雷射脈衝的空間上的強度圖形的修改因此實現了，在輥表面上由雷射脈衝照射的加工場以雷射脈衝的強度分布來施加。特別是能夠這樣更改雷射脈衝的空間上的強度圖形，即，使得強度圖形具有高強度的空間區域，從而在照射的加工場的相應的區域內進行雷射剝除，並且使強度圖形具有較低強度的空間區域，從而在照射的加工場的相應的區域內不進行任何雷射剝除。優選地，由光學元件修改的強度圖形具有至少一個由高強度的區域圍繞的較小強度的區域，即，內部的強度最小值。

光學元件優選地為此設置用於為雷射脈衝印出預設的強度圖形。

光學元件進一步配置用於對通過雷射脈衝在輥表面照射出的加工場進行修改，特別是擴大。優選地，光學元件特別設置為，使通過雷射脈衝在輥表面照射出的加工場取決於最大平均功率Pm而擴大和/或這樣匹配，即，得出最佳剝除注量Φo。以這種方式能夠在預設的、特別是技術上可控的重複率frep的情況下縮短加工時間tw，從而能以更短的時間結構化輥表面。加工場的尺寸能夠通過光學輔助裝置來匹配。加工場理解為以雷射脈衝而在輥表面上照射到的或可照射到的面積。加工場的修改理解為，在輥表面上的加工場的面積具有與沒有相應的光學元件的情況下不同的尺寸。加工場的擴大相應地理解為，在輥表面上的加工場的面積比沒有相應光學元件情況下更大。為此目的，能夠特別將光學元件設置用於使雷射脈衝橫向於傳播方向擴展。

已知的是，通過設置所述的光學元件能夠實現雷射脈衝的空間上的結構化，這允許了，擴大以雷射脈衝照射的加工場，而不會由此損害要在輥表面上施加的結構的解析度。此外已知的還有，通過以雷射脈衝照射的加工場的擴大也能夠更好利用到雷射源的最大平均雷射功率，因為能夠將可用的功率分布在更大的面積上。

特別是能夠在技術上可控的重複率frep的情況下以這樣的程度來匹配雷射脈衝的照射的加工場，即，以可購的光學系統、特別是掃描儀系統利用最大平均雷射功率。以理想的方式，能夠這樣修改雷射脈衝的強度圖形，即，在應該進行雷射剝除的區域內基本上達到對於剝除而言最佳的剝除注量Φo。

因此能夠利用所述的裝置對輥表面實現最佳表面加工。這既涉及到取決於雷射功率的加工時間也涉及到了相應地照射的、用於製造期望的目標幾何結構的加工場中的強度分布及其精確度。

另外，在用於通過雷射剝除、特別是通過使用前述裝置使輥結構化的方法中，以光學系統將雷射脈衝對準到待結構化的輥的表面，從而使得輥在通過雷射脈衝照射的加工場通過雷射剝除得到結構化，按照本發明相應地由此實現該目的，即，通過光學元件、特別是衍射光學元件或者空間光調製器修改脈衝雷射的空間上的強度圖形並且修改、特別是擴大通過光脈衝在輥表面上照射的加工場。

特別是，通過光脈衝在輥表面上照射的加工場能夠通過光學元件根據雷射脈衝的空間上的強度圖形的修改而匹配。如果對雷射脈衝的空間上的強度圖形例如這樣進行修改，即，使得雷射脈衝具有較小強度的區域，那麼能夠例如相應地擴大照射的加工場，例如基本上擴大了通過該較小強度的區域而在輥的表面上照射的面積。

根據本發明，通過光學元件來修改雷射脈衝的空間上的強度圖形，並且使得通過雷射脈衝在輥的表面上照射出的加工場以取決於最大平均功率Pm的方式擴大和/或適應於得到最佳剝除注量Φo。

在下文中，描述該裝置以及該方法的不同實施例，其中單個實施例能夠任意地相互結合併且既能夠應用到該裝置上也能夠應用到該方法上

在一種實施方式中，光學元件是衍射的光學元件或者空間光調製器。衍射的光學元件以及和空間光調製器已經證實適合於，為雷射脈衝而配設期望的空間上的強度圖形。能夠通過這些元件形成鐳射光束，從而在加工場中生成期望的結構幾何圖形。

作為衍射光學元件(DOE)特別涉及到的是玻璃載體，通過光刻法能夠將微結構施加在該玻璃載體上。其中，像是在透鏡的情況下，通過部分光束的不同光程長度而產生相位調製，由此產生幹涉圖樣。額外地，通過結構性的和破壞性振幅重疊而進行調製。因此，能夠通過在合適的設計而操縱雷射束中的強度圖形。DOE能夠履行兩種任務：它們能夠形成雷射束(英文：beam shaping)或者將該雷射束分成多個部分雷射束(英文：beam splitting)。在DOE中的微結構能夠通過折射率或者高度調製而形成。好的構件在此實現了80-99的效率以及95-99％的透射率。如果以雷射束而穿射DOE，那麼在以雷射脈衝照射的面積上，即，在相應的加工場中，得到期望的結構。

以空間光調製器(Spatial Light Modulator,SLM)能夠幾乎任意地調整光束的波前。SLM的工作方式與DOE的類似。通過局部的相位匹配，能夠將SLM之後的光束的波前自由地控制。能夠以SLM製造的光脈衝的結構的解析度僅僅取決於SLM的像素結構，其中像素代表雷射束或雷射脈衝的最小的、能夠不相關地調製出的區域。關於SLM的工作方式和使用的其他信息能夠從以下發表物中得到：Z.Kuang等著的「Ultrafast laser parallel microprocessing using high uniformity binary Dammann grating generated beam array」，Appl.Surf.Sci.(2013),273卷,101頁,和A.Jesacher等著的「Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction,」Optics Express(2010),18卷,21090頁」。

與DOE相比之下，能夠以SLM在線地改變雷射脈衝的強度圖形並由此改變在以雷射脈衝照射的面積(即在加工場中)上的強度結構。因此，SLM能夠在對輥加工的期間製造任意多的不同結構。

在另一實施方式中，將光學元件配置用於這樣修改雷射脈衝的空間上的強度圖形，即，僅在通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場的部分區域內進行雷射剝除。在該方法的相應的實施方式中，雷射脈衝的空間上的強度圖形這樣得以修改，即，僅在通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場的部分區域內進行雷射剝除。

以這種方式實現了，製造在以雷射脈衝照射的輥表面的加工場中的次級結構，其中次級結構的結構尺寸比加工場的尺寸更小。加工場的總面積上的、由雷射脈衝照射的部分區域的比例在此以剝除比例α來表示。在α＝0.3的情況下，進行雷射剝除的部分面積例如是通過雷射脈衝照射的加工場的30％。

在另一種實施方式中，光學元件配置用於使通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場這樣擴大，即，該加工場在至少一個方向上具有比輥表面上待施加的結構的最小結構尺寸更大的範圍。在本方法的一種相應的實施方式中，通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場這樣擴大，即，該加工場在至少一個方向上具有比輥表面上待施加的結構的最小結構尺寸更大的範圍。

以這種方式實現了，能夠以雷射脈衝照射出比現有技術的方法中更大的面積A。由此能夠在預設的重複率frep的情況下縮短用於更大面積Aw的加工時間tw。

在另一種實施方式中，光學元件配置用於這樣修改雷射脈衝的空間上的強度圖形並且對通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場這樣修改、特別是取決於最大平均功率而這樣適配，即，使得在加工場的進行雷射剝除的部分區域內的注量基本上與規定的最佳剝除注量相應。在本方法相應的實施方式中，這樣修改雷射脈衝的空間上的強度圖形並且對於通過雷射脈衝在輥表面上照射的加工場這樣修改、特別是取決於最大平均功率而這樣適配，即，使得在加工場的進行雷射剝除的部分區域內的注量基本上與規定的最佳剝除注量相應。最大平均功率理解為雷射源的最大平均功率。

以這種方式，能夠最佳地利用雷射源的最大平均功率並且同時通過對於剝除注量的最優化而改善雷射剝除。照射區域的最佳尺寸Aopt特別取決於剝除比例α、材料特定的最佳剝除注量Φo、雷射器的平均功率Pm和重複率frep。相應地適用公式(1)：

在一種實施方式中，該裝置配置用於以由雷射源生成的雷射脈衝來掃描在輥容納設備中的容納的輥的表面，特別是通過轉動在容納裝置中的輥並且通過藉助於光系統而在橫向上偏移、特別是移動加工場位置。在本方法的一種相應的實施方式中以雷射脈衝掃描輥的表面。為此目的，特別能夠轉動輥以及使加工場位置橫向藉助於光系統偏移、特別是移動。為了橫向地通過光學系統移動加工場位置，能夠例如使光學系統自身或光學系統的至少一個部件(例如鏡)橫向地偏移或移動。替代性地，能夠也將光學系統的一個部件移動以使得雷射脈衝橫向偏轉。為此目的，能夠使光學系統例如具有可轉動的鏡，藉助於該鏡能夠使雷射脈衝以不同方向偏轉。

以前述的實施方式能夠逐步地使整個輥表面結構化。輥轉動例如涉及到的是快速的偏轉軸以及在橫向偏移的加工場位置的情況下涉及到的是緩慢的偏轉軸，從而雷射束幾乎以螺旋狀掃描輥表面。

在另一種實施方式中，該裝置配置用於這樣掃描輥表面，即，使得在輥表面上由這些單獨的雷射脈衝照射的加工場基本上無空隙地並且無重疊地處於相鄰。在本方法一種相應的實施方式中，這樣掃描輥表面，即，由這些單獨的雷射脈衝照射的加工場在輥表面上基本上無空隙地並且無重疊地處於相鄰。

通過基本上不重疊的設置加工場，實現儘可能少的加工時間tw。進一步，通過基本上無間隙的設置加工場，實現了均勻且精準地結構化輥表面。「基本上無間隙」理解為，在兩個相鄰的加工場的邊稜之間的移位是在移位方向上加工場的範圍的最大10％、優選最大5％、特別是最大2％。「基本上無重疊」理解為，兩個相鄰的加工場的重疊是加工場的面積的最大5％、優選最大2％。

在另一種實施方式中，光學元件配置用於這樣修改雷射脈衝的空間上的強度圖形，並且這樣配置該裝置，即，以雷射脈衝掃描在輥容納設備中容納的輥的表面以便於在輥的表面上得到預設的結構。在本方法一種相應的實施方式中這樣修改雷射脈衝的空間上的強度圖形，並且這樣以雷射脈衝掃描輥的表面，即，在輥的表面上得到預設的結構。該結構優選涉及到超出單個加工場的結構、特別是輥的整個表面的預設結構。

在一種實施方式中，光學系統包括旋轉補償系統，該系統配置用於這樣補償在輥容納設備中容納的輥的轉動，即，使得在輥表面上的兩個在橫向上相鄰的加工場以旋轉方向相互對齊。在本方法的一種相應的實施方式中，這樣補償在輥容納設備中容納的輥的轉動，即，使得在輥表面上的兩個在橫向相鄰的加工場以旋轉方向相互對齊。兩個加工場在旋轉方向上的對齊理解為，加工場在旋轉方向上相互基本上不具有任何錯位，特別是具有在旋轉方向上加工場尺寸的最大5％的錯位。

為此目的，旋轉補償系統例如包括移動的鏡，通過該鏡雷射束的焦點能夠在一系列的雷射脈衝上與旋轉的輥一起得到引導，從而實現了多個在橫向上相鄰的並且在旋轉方向上相互對齊的加工場的照射。

替代性地，該裝置也能夠以沒有旋轉補償的方式工作。在該情況下，橫向相鄰的加工場相互間具有與輥的旋轉速度下相應的、在輥旋轉方向上的錯位。

在另一種實施方式中，光學系統配置用於在輥的表面上以輥軸向這樣偏移加工場的位置，即，在第一加工場的照射與第二加工場的照射之間，照射至少一個第三加工場，第二加工場相對於第一加工場在輥的旋轉方向上偏移，第三加工場相對於第一加工場在橫向上偏移。在本方法的相應的實施方式中，在第一加工場的照射與第二加工場的照射之間，照射至少一個第三加工場，第二加工場相對於第一加工場在輥的旋轉方向上偏移，第三加工場相對於第一加工場在橫向上偏移。

通常輥旋轉形成了快速的偏轉軸並且加工場位置在橫向上的偏移構成了緩慢的偏轉軸，從而雷射束幾乎螺旋狀地掃描輥表面。通過輥轉動造成的輥表面的偏轉速率可能不足以使該表面在確定的重複率frep的情況下在兩個雷射脈衝之間以加工場的側邊長度而偏轉。在這種情況下可以減小重複率frep或者縮小加工場。然而在能夠實現雷射器的最大功率的、雷射系統的最小重複率的情況下，不再在兩個脈衝之間保留加工場的側邊長，從而在結構化過程中不利用全部的雷射器功率。

在前述的實施例中，該問題這樣得以解決，即，除了轉動之外還進行在橫向上快速的偏移從而能夠照射在橫向上相鄰的加工場，特別是直到輥的表面在旋轉方向上覆蓋加工場的側邊長的時間點。在該時間點，由此能夠對在轉動方向上相鄰的加工場進行照射。

為了在橫向上理想地偏移，必須有效地達到在等式(4)中所要求的偏轉速率。出於此原因，光學系統優選地包括用於在輥表面上對照射的加工場進行定位快速掃描儀。掃描儀的速度不必要是「實際的」，即，位移不必要是實際上以這個速度進行，而是必須在這個時間內在兩個脈衝之間實現期望的偏移。因此，為了偏移，路徑速度並非是決定性的，而偏移的最終位置才是決定性的。在此不重要的是，如何達到最終位置。該偏移應該僅以預設的分散的步驟、特別是以距離la進行。優選地，掃描儀相繼實施這些工作步驟，在這些工作步驟中，掃描儀分別以預設的分散的步驟使加工場位置在輥的寬度上偏移。在這種情況下，以每個工作步驟照射在橫向上的輥表面的一條。優選地，掃描儀在每個工作步驟中達到同一個橫向的加工場位置，從而使加工場以多個單獨的照射的條帶的形式相鄰地對齊。

在另一種實施方式中，裝置包括控制器，控制器配置用於使該裝置對應於前述的方法或其實施方式而運行。為此目的，該控制器能夠例如具有微處理器並且因此具有連接的存儲器，其中存儲器包含多個指令，這些指令在微處理器上的運行促使實施上述方法。

附圖說明

本發明的更多特徵和優點在下文對實施例的描述中得出，其中參照了附圖。其中：

圖1示出了與現有技術中的方法相應地藉助於脈衝的雷射器對修整輥進行結構化的原理圖；

圖2至4示出了在輥的材料區段上雷射束作用或交互作用的示意圖；

圖5示出了根據本發明的裝置的實施例的示意圖；

圖6a-c示出了具有不同的剝除比例的、通過各一個雷射脈衝照射的加工場的示意圖；

圖7a-b示出了兩個在輥表面上通過各一個雷射脈衝照射的加工場的示意圖，具體為一次沒有以旋轉補償進行以及一次以旋轉補償來進行；以及

圖8a-b示出了由一系列的雷射脈衝照射的加工場的示意圖，並且具體為依次沒有以旋轉補償進行以及一次以旋轉補償來進行。

具體實施方式

圖1示出了一種與現有技術中的方法相應地藉助於脈衝的雷射來對修整輥進行結構化的原理圖。

待結構化的輥1設置在構造為旋轉裝置的輥容納設備中並且在此處旋轉。在輥1快速旋轉期間(快速偏轉軸)，光學系統的成像光學部件2以相對較小的速度、橫向於輥軸方向而移動(緩慢的偏轉軸)。成像光學部件2在輥1的表面上投射由雷射源14生成的雷射脈衝。通過輥轉動與成像光學部件2的橫向移動的重疊，所脈衝出的雷射束在輥表面上描繪出螺旋狀的軌跡(圖1)。

雷射束3在約為1μs的脈衝期間滲入到輥1的材料4中直至確定的深度。材料4或輥1的表面材料由自由的帶電子5和金屬陽離子6組成(圖2)。

通過雷射束3的電磁場使電子5加速並且最終在交互作用期間將其動能傳遞到金屬離子6。由此使這些金屬離子偏移擺動並且將擺動能量傳遞給相鄰的、在雷射束與輥的材料之間的純交互作用區域之外的金屬離子(圖3)。以這種方式在照射的輥材料4中產生熱量。在脈衝時間期間(圖4)，通過進一步的雷射能量輸入將材料熔化。最後，達到了蒸發溫度，並且熔融物7的一部分蒸發。在熔融物7上方形成的金屬蒸汽雲8快速擴張，其中後坐力效應引起以熔液態的噴濺物9的形式的剩餘熔融物的射出。短脈衝雷射法的特徵在於每個脈衝的相對大的材料剝除體積。

通過選擇參數：脈衝頻率、脈衝能量、轉動的輥表面上的痕跡間距、光激點直徑(光斑直徑)、雷射強度曲線和/或輥的轉數而確定了在輥表面上的杯狀物的分布和幾何形狀。通過多個單獨杯狀物的疊加而結構化或製造出山谷形的、相連的區域。

為了在輥1的表面上製造出預設的、確定性的結構，將快速且連續的一系列雷射脈衝有目的性地中斷。雷射脈衝的中斷能夠藉助於快速的光學的開關、AOM(Akustoopischer Modulator(聲光調製器))10而實現(圖1)。通過快速地打開和關閉AOM 10能夠因此確定性地或者在輥表面上投影單個雷射脈衝或者也偏轉到冷阱11上並且在那裡消失。在雷射脈衝投影到輥表面上時，雷射器的能量導致在相應的位置上的雷射剝除(輥1上的黑點)，而當雷射脈衝在相應的位置上消失時表面則保持不變(輥1上的白點)。

為此使用的雷射器(脈衝光纖雷射器)具有500W的最大平均功率和在約1070nm的波長情況下約100kHz的脈衝重複頻率。脈衝時長例如為約1μs。

在AOM 10經過之後，雷射束3藉助於光導線12傳遞到聚焦光學部件2。箭頭13表示出投影光學部件2的移動方向。

圖5示出了根據本發明的裝置的一種實施例的示意圖。該裝置20包括(未示出的)輥容納設備，其配置用於容納輥22。輥容納設備在此構造為用於轉動輥22的旋轉裝置。此外，裝置20還包括脈衝的雷射源24以及光學系統26，該光學系統設置用於將從雷射源24產生的雷射脈衝對準到輥22的表面上。為此目的，光學系統26包括掃描儀，通過該掃描儀將雷射脈衝以輥22的橫向方向對準到不同的加工場。

此外，裝置20還包括光學元件28，其中特別涉及到的是衍射的光學元件或者空間光調製器。通過該光學元件能夠修改由雷射源24產生的雷射脈衝的強度圖形並且修改通過雷射脈衝照射在輥22的表面上的加工場，特別是根據最大平均功率來擴大和/或這樣匹配該加工場，即，得到最佳剝除注量。

圖6a-c示出了以不同的剝除比例α而通過各一個雷射脈衝照射出的加工場的示意圖。

圖6a首先示出了在輥22的表面上的加工場，該加工場通過雷射脈衝來照射，其強度圖形並不通過光學元件28來改變。加工場在該實施例中以側邊長度Ia而平方。相應的雷射脈衝具有基本上恆定的強度分布，從而在加工場的整個面積上進行雷射剝除(圖6a中的陰影面積)。剝除比例α在該面積的情況下因此為數值1。

通過利用光學元件28而對雷射脈衝的空間上的強度圖形的修改，強度分布能夠在雷射脈衝以內這樣改變，即，得到所照射的加工場的結構化。特別是，雷射脈衝能夠具有包含強度最小值的部分區域，從而使得在輥表面上的加工場的相應區域內不進行任何雷射剝除。因此圖6b和6c示出了與照射的加工場相應的實施例，這些加工場具有各一個其中進行雷射剝除的外部區域(陰影部分)以及各一個其中不進行任何雷射剝除的內部區域(非陰影部分)。剝除比例α在圖6b的情況下為0.5並且在圖6c的情況下為0.3。

如圖6b和6c中示出的，能夠通過由光學元件28而對空間上的強度圖形進行的修改在輥表面製造出結構尺寸，這些結構尺寸的範圍比通過雷射脈衝照射的加工場的尺寸更小。

此外，通過光學元件28而引起了照射的加工場的擴大，從而能夠以雷射脈衝照射更大面積。照射的加工場的尺寸能夠特別根據剝除比例α而調整。如果在圖6a中示出的以α＝1而照射出的加工場具有範圍Ia，那麼具有更小剝除比例α的相應的加工場則能夠具有以因數而增大的範圍，而無需為此減小進行剝除的區域中的強度。

照射的加工區域的尺寸以及雷射脈衝的空間上的強度圖形通過光學元件28而這樣進行匹配，即，在進行了雷射剝除的部分區域內的注量處於最佳的剝除注量Φo的範圍內。

以這種方式，在可轉換的重複率frep的情況下的雷射的最大平均功率Pm能夠用於輥表面的加工。為了確保儘可能快速的加工，所照射的加工場優選地儘量無重疊並且無間隙相鄰地在輥表面上定位，即，儘可能尺寸精確地相鄰地照射加工場，以便於能夠確保輥表面的期望的結構。

因此，優選這樣地掃描輥表面，即，使得雷射聚焦的偏轉或偏移速率vs，即，加工場位置(在該位置上，無關於由雷射脈衝照射的加工場的面積A的側面長度Ia以及重複率frep而調整輥表面)優選是如下地:

vs＝la·frep, (4)

其中

在雷射器的預設的最大平均功率Pm以及材料特定的理想的剝除注量Φ0的情況下，面積A因此僅取決於重複率frep。因為為了達到期望的結構並不應該剝除加工場的全部面積，剝除比例α規定所期望的結構的應該剝除的一部分。

在圖6a-c中剝除比例α從圖6a到圖6c減少，其中所剝除的面積(陰影)保持不變。由於減少的剝除的面積比例，由此使各個加工場的總面積A相應地增大。

針對在輥表面上的理想的定位，優選地以雷射脈衝照射矩形的、特別是正方形的加工場。

最大的平均功率Pm以及重複率frep對掃描速度(即，雷射在輥表面偏移或移動的速度)造成影響。在理想的定位的情況下，能夠以沒有值得注意的損失的條件下利用全部的雷射功率。在此得到了理想的加工時間：

因此，加工時間tw僅取決於輥表面A的最佳剝除注量Φo以及最大平均功率Pm。剝除比例α通過在輥上的期望的結構而確定。加工時間tw因此無關於重複率frep，從而能在對於雷射器而言可能的區域的範圍內自由地選擇重複率。雷射器聚焦的偏轉速率能夠由此通過公式(4)來確定。

雷射器的最大平均功率Pm由此確定出具有期望的結構的表面的加工時間tw。平均功率Pm和重複率frep彼此脫離關聯。因此能夠在較小的重複率frep的情況下將雷射器的最大平均功率實際上完全地用於輥表面的加工。這特別由此實現，即，通過雷射脈衝照射的加工場的尺寸不再通過最小的、待施加的結構尺寸而限制。相反，照射的加工場的尺寸僅由光學元件28的解析度而限制。換言之，加工場的面積僅以這樣的程度增大，即，能以光學元件來解決兩個結構元素的最小間距。

圖7a示出了具有兩個通過各一個雷射脈衝而在沒有旋轉補償的情況下照射出的加工場42、44的輥表面40的示意圖。圖7b示出了輥表面46的相應的示意圖，該輥表面具有兩個通過各一個雷射脈衝以旋轉補償而照射的加工場48、50。

輥表面40或46通過雷射剝除製造的結構(紋理)在圖7a-b中通過由星形的結構元素52組成的均勻的格表示。最小結構尺寸、特別是在兩個結構元素之間的間距小於各個通過雷射脈衝照射的加工場42、44、48、50的範圍。這在前述的裝置中通過光學元件28實現，該光學元件這樣修改這些單獨的雷射脈衝的空間上的強度圖形，即，在各個輥表面40、46上得到在所照射的加工場42、44、48、50之內的結構化。

所照射的加工場42、44或48、50分別彼此橫向地設置。由於在照射期間輥的轉動，加工場44在圖7a中相對於加工場42而以旋轉方向錯開。由此產生了在各個加工場中待製造的結構的相應的錯開。為了實現在輥表面上的期望的結構，因此必要的是，使各個的雷射脈衝的空間上的強度圖形的修改相應地與所照射的加工場的相對位置相互獨立地適配。

圖7b示出了一種替代性的並且更不複雜的方法。通過預設的旋轉補償系統，在加工場48、50的照射中對輥的旋轉進行補償，從而使加工場理想地以沒有在旋轉方向上的錯位的方式彼此相鄰。為了實現輥表面的期望的結構，在該情況下能夠在每個加工場48、50中製造相同的結構。

作為旋轉補償系統特別能夠使用已知的掃描儀系統，因為為了旋轉補償而必要的偏轉速率與輥表面的轉動速度相對應並且因此是適當的。針對加工場位置在橫向上的錯位，優選地使用更快的掃描儀，因為掃描儀必須有效地達到公式(4)中所要求的偏轉速率。優選地，也能夠使用一個掃描儀系統，為了這兩個偏轉移動(即，轉動方向和橫向)而配置該掃描儀系統。

圖8示出了以沒有旋轉補償的方式(圖8a)和以旋轉補償的方式(圖8b)而通過一系列的雷射脈衝照射的加工場的示意圖。加工場照射的順序在圖8a-b中分別通過增大的數序1-5而給出。光學系統在橫向上移動輥表面上的加工場的位置並且照射出在橫向上的這樣一列加工場(加工場1至4)，直到通過輥轉動而以加工場的側邊長度移動輥表面。隨後繼續以旋轉方向上錯位的一列(加工場5)進行照射。