CN101878444A - 波束成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波束成形设备，尤其是用于在工作面(7，7₁，7₂，7₃)内产生线状强度分布(28)的波束成形设备，包括：能够发射激光射线(8)的激光源(1)，能够将激光射线(8)转换成工作面(7，7₁，7₂，7₃)内的线状强度分布(28)的光学装置，以及用于影响工作面(7)内的线状强度分布(28)的、在激光射线传播方向上可移动的透镜装置(37)，其中通过改变透镜装置(37)在激光射线传播方向(z)上的位置，可以改变垂直于线状强度分布(28)的延伸方向的强度分布特性。

Description

波束成形设备

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的波束成形设备。

定义：“在激光射线的传播方向上”是指激光射线的中央传播方向(尤其是当激光射线为非平面波或者至少部分发散时)。当没有明确给出其它解释时，光波束、分波束或波束并不是指几何光学上的理想波束，而是指实际光波束，例如具有高斯分布或修正后的高斯分布的光波束，其并非具有无限小的波束横截面，而是具有扩展的波束横截面。

开始所述类型的设备是众所周知的。这类设备的典型激光源例如为Nd-YAG激光器或准分子激光器。例如，并非作为单模激光器工作的Nd-YAG激光器所具有的衍射倍率因子(光束质量因子)M²约为8至25。衍射倍率因子M²是激光波束质量的一个量度。例如，具有纯高斯分布的激光波束的衍射倍率因子M²为1。衍射倍率因子M²大体上对应于激光射线的模数。

衍射倍率因子M²对激光射线的可聚焦性产生影响。对于具有高斯分布的激光波束而言，焦点区域内的宽度d或“束腰”与要聚焦的激光波束的波长λ成正比，反过来与聚焦透镜的数值孔径NA成正比。对于焦点区域内的激光波束的宽度，适用下列公式：

$d\∝\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

在不具有高斯型分布或者说衍射倍率因子M²大于1的激光波束的情况下，根据下式，焦点区域内的最小宽度或者说焦点区域内的束腰还与衍射倍率因子成正比：

$d\∝\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\·M^2$

这表明：衍射倍率因子越大，激光射线越不好聚焦。在此应注意的是，衍射倍率因子M²在垂直于激光射线传播方向的两个方向上可能具有不同的大小。在这种情况下，对例如用x表示的第一个方向上的衍射倍率因子M_x ²和例如用y表示的垂直于第一个方向x的第二个方向上的衍射倍率因子M_y ²之间进行区分。由此存在以下的可能性：即衍射倍率因子M_x ²大于或者小于衍射倍率因子M_y ²。

另外，在现有技术中，激光射线在被聚焦到工作面内之前通常被均匀化。这例如通过包含许多透镜的透镜阵列来实现，使得激光射线由这些透镜划分成多个部分波束，这些部分波束在工作面内叠加。然而已经表明，部分波束的数目不能随意增加，因为当部分波束的数目过多时，在部分波束在工作面内相应叠加的情况下，波束之间的干涉会引发高频振荡。这会导致工作面内波束质量变差。对于出现这种高频振荡的评判标准是激光射线在垂直于传播方向的方向上的空间相干性。这种空间相干性越差，则在叠加时不引起高频振荡的情况下光线可以被划分成的部分波束的数目越大。在某些情况下，所提到的衍射倍率因子M²或者说M_x ²或M_y ²也可以指示空间相干性，可能是当衍射倍率因子很大时可以划分成大量的部分波束。

在不同的应用中，希望有在垂直于线状焦点区域的纵向延伸的方向上的强度分布，其对应于所谓的“平顶分布(Top Hat Profile)”。在其它应用中，具有尖锐强度最大值的强度分布可能是有利的。

由这些考虑出发，本发明的任务是进一步开发一种如开始所述类型的设备，使得能够对垂直于线状焦点区域的纵向延伸的方向上的强度分布施加影响。

根据本发明，这通过具有权利要求1所述区别特征的开始所述类型的设备来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。

根据权利要求1，所述设备包括透镜装置，最好是能够在激光射线的传播方向上移动的透镜装置，用于影响工作面内的线状强度分布，其中通过改变透镜装置在激光射线传播方向上的位置，能够改变垂直于线状强度分布的延伸方向的强度分布特性。

尤其是可以通过改变透镜装置在激光射线传播方向上的位置，使强度分布特性从平顶形变为具有相对尖锐的最大值的形状。由此可以根据应用来选择适当的强度分布特性。

可以令所述设备还包括望远镜，该望远镜在激光射线传播方向上位于可移动的透镜装置后面，其中所述望远镜由至少两个另外的透镜装置构成，所述另外的透镜装置至少在垂直于线状强度分布的纵向延伸的方向上具有折光力。通过该望远镜，激光射线在可移动的透镜装置的出射一侧的焦平面内所具有的强度分布特性可以被传递到工作面内。其中该望远镜尤其是能够使得在垂直于线状强度分布的纵向延伸的方向上的束腰变小。

可以令激光源能够发出多模激光射线，其中不仅在垂直于激光射线传播方向的第一个方向上的衍射倍率因子M_x ²大于1，而且在垂直于传播方向的第二个方向上的衍射倍率因子M_y ²也大于1。

存在以下可能性：即所述设备还包括波束变换装置，该波束变换装置如此被设置在所述设备中，使得它能够对激光射线或激光射线的部分波束进行变换，使第一个方向上的衍射倍率因子增大，而第二个方向上的衍射倍率因子减小。

所述波束变换装置能够以下述方式对激光射线或激光射线的部分波束进行变换：使得在激光射线或每个部分波束的所述第一个方向上的衍射倍率因子和/或空间相干特性与所述第二个方向上的衍射倍率因子和/或空间相干特性互换。

可以发现：通过这种方式，对于这两个方向中的一个方向上的衍射倍率因子可以比波束变换前显著减小，与此相反，对于这两个方向中的另一个方向上的衍射倍率因子比波束变换前显著增大。其原因体现在将激光射线划分成多个部分波束的过程中。这种划分或者可以在所述波束变换装置中进行，或者可以在单独设置在所述波束变换装置前面的波束划分装置中进行。已经表明，其中在垂直于传播方向的这两个方向中的一个方向上的衍射倍率因子可以减小，尤其是可以通过部分波束的数目而被改变。

可以实现使第一个方向上的衍射倍率因子显著减小，但不会比1大很多，其中在另一个方向上的衍射倍率因子相对于波束变换前的状态变大。但如果要通过本发明所述设备在工作面内产生非常细的线，则重要的是在垂直于该线的纵向延伸的方向上能够在一个非常小的束腰上实现非常好的聚焦。当在这个方向上的衍射倍率因子非常小的情况下，可以由此获得非常细的线状分布特性。尤其是可以产生具有平顶分布的非常明确的强度分布。同时在该线的纵向延伸上的衍射倍率因子显著变大并不被认为是缺点，因为在该线的纵向延伸上不希望有聚焦或者不希望有很强的聚焦。相反，由于在该线的纵向延伸上的衍射倍率因子变大，通常在这个方向上的空间相干性也显著减小。但这意味着：为了进行均匀化，可以采用在这个纵向方向上具有许多一个挨一个排列的透镜的透镜阵列，而不会在工作面内引起不希望的干涉效应，如高频振荡。这样，通过本发明所述的设备可以实现在该线的纵向方向上更好的均匀性。

可以令该设备还包括用于将激光射线分成多个部分波束的波束划分装置，其最好在激光射线的传播方向上被设置在所述波束变换装置前面，使得所述波束变换装置能够对激光射线进行傅立叶变换。

存在以下可能性：即所述波束变换装置位于所述波束划分装置后面，尤其是位于波束划分装置的出射一侧的傅立叶平面内。通过傅立叶变换可以使得在垂直于线状强度分布的纵向延伸的方向上实现不同于高斯型的强度分布特性。例如可以实现平顶分布或具有相对尖锐的最大值的分布。尤其是可以通过傅立叶变换在工作面内得到从波束变换装置射出的部分波束的近场成像。

波束变换装置是现有技术中已知的，例如由EP1006382A1、EP1617275A1以及由EP1528425A1所公开。但是其中半导体激光器的非常不均匀的激光射线具有非常小的快轴方向衍射倍率因子M_x ²和非常大的慢轴方向衍射倍率因子M_y ²，其被变换为使得在波束变换及相应准直之后的激光射线在两个方向上具有可类比的波束质量。在本发明中，这种已知的波束变换装置被用于得到相反的效果。激光射线在变换之前在两个方向上的衍射倍率因子M_y ²或M_x ²并无很大不同或者至少具有近似相同的大小，该激光射线被变换为使得在波束变换之后，这两个方向中的一个方向上的衍射倍率因子与这两个方向中的另一个方向上的衍射倍率因子有显著的不同。

借助下面参考所附的附图描述的优选实施例来阐述本发明的其它特征和优点。如图所示：

图1为本发明所述设备的示意性结构；

图2a为本发明所述设备的波束划分装置的俯视图；

图2b为图2a所示波束划分装置的侧视图；

图2c为经过图2a和图2b所示波束划分装置后的激光射线的横截面；

图3a为本发明所述设备的波束变换装置的俯视图；

图3b为图3a所示波束变换装置的侧视图；

图3c为图3a所示波束变换装置的透视图；

图3d为经过图3a至图3c所示波束变换装置后的激光射线的横截面；

图4a为本发明所述设备的波束合成装置的俯视图；

图4b为图4a所示波束合成装置的侧视图；

图4c为经过图4a和图4b所示波束合成装置后的激光射线的横截面；

图5a为本发明所述设备的均匀化及聚焦装置的俯视图；

图5b为图5a所示均匀化及聚焦装置的侧视图；

图6为经过本发明所述设备前的激光射线的横截面；

图7为位于工作面内或者说经过本发明所述设备后的激光射线的横截面；

图8为本发明所述设备的波束合成设备的第二实施方式、波束变换装置及均匀化装置的俯视图；

图9a为本发明所述设备的波束划分装置及设置在其后的波束变换装置的第二实施方式的俯视图；

图9b为图9a所示波束划分装置和波束变换装置的侧视图；

图10为第一强度分布特性的示意图；

图11为第二强度分布特性的示意图；

图12为在本发明所述设备的另一实施方式的波束变换装置和工作面之间的区域的示意性侧视图；

图13a为和图12相应的视图，其中示出了用于影响强度分布的透镜装置的三个不同的位置；

图13b为透镜装置前面的强度分布的示意图；

图13c为工作面中对应于透镜装置的第一个位置的强度分布的示意图；

图13d为工作面中对应于透镜装置的第二个位置的强度分布的示意图；

图13e为工作面中对应于透镜装置的第三个位置的强度分布的示意图；

图14a为和图12相应的视图，其中示出了用于影响强度分布的透镜装置的三个不同的位置；

图14b为透镜装置前面的强度分布的示意图；

图14c为工作面中对应于透镜装置的第一个位置的强度分布的示意图；

图14d为工作面中对应于透镜装置的第二个位置的强度分布的示意图；

图14e为工作面中对应于透镜装置的第三个位置的强度分布的示意图

在各个附图中，为了更好地定位绘出了笛卡尔坐标系。

由图1可以示意性地看到，本发明所述设备包括激光源1、波束划分装置2、波束变换装置3、波束合成装置4、均匀化装置5和透镜结构6，其能够在工作面7内产生激光射线的线状强度分布。

存在以下可能：即激光源1作为Nd-YAG激光器或者作为准分子激光器来实现。其中Nd-YAG激光器例如能够以基本频率、双倍频率、三倍频率等来工作。如图6所示，从激光源1射出的激光射线8例如具有圆形横截面。此外，如图6所示，激光射线8不仅在x方向上而且在y方向上具有M_x ²＝M_y ²＝4的衍射倍率因子。

波束划分装置2在图2a和图2b中详细示出。在波束划分装置2前面接有由十字交叉的双侧柱面透镜10和11构成的望远镜9。望远镜9使x方向上的激光射线8展宽，并使y方向上的激光射线8变窄(对此参见图2a和图2b)。

波束划分装置2被构造为柱面透镜阵列，其中该柱面透镜阵列的圆柱轴在y方向上延伸。尤其是，在波束划分装置的入射面上采用凸柱面阵列12，而在其出射面上采用凹柱面阵列13。通过相应地选择这些柱面的焦距以及通过相应地选择其距离，可使得从波束划分装置2射出四个在x方向上彼此间隔的部分波束14。图2c示出了这些部分波束14具有正方形的横截面。

由此存在以下可能：即可以采用多于或少于四个的柱面12、13，从而得到多于或少于四个的部分波束14。例如可以采用八个或十三个柱面12、13。

由图2c还可以看到，x方向上每个单个的部分波束14的衍射倍率因子M_x ²＝1，而y方向上每个单个的部分波束14的衍射倍率因子M_y ²＝4。总体上，对于所有四个部分波束14来说，x方向上总共的衍射倍率因子M_x ²＝4。

以这种方式划分成各个部分波束14的激光射线入射到波束变换装置3内，该波束变换装置由图3a至图3c示出。波束变换装置3同样包括一个柱面透镜阵列，其中在波束变换装置3的出射面上采用凸柱面阵列15，在其出射面上采用凸柱面阵列16。其中柱面15、16的圆柱轴相对于y方向或者相对于x方向倾斜一定的角度α＝45°。当经过波束变换装置3时，各个部分波束14被变换为好像在一个平行于传播方向z的平面处被镜面反射。由图2c和图3d可见，部分波束14被转换成变换后的部分波束17。其中在图2c左侧的部分波束14和在图3d左侧的部分波束17分别在其每一侧用字母a、b、c、d来标注。这表明：这些字母a、b、c、d的互换按照一定的模式来进行，该模式对应于这些部分波束14、17的对角面处的镜面反射。这种变换也可以表示为围绕z方向旋转90°，随后将a侧和c侧互换。

由图3d可以看到，部分波束17的衍射倍率因子与部分波束14的衍射倍率因子是不同的。尤其是在每个部分波束17的情况下，x方向上的衍射倍率因子M_x ²等于4，y方向上的衍射倍率因子M_y ²等于1。因此总体上对于所有四个部分波束17来说，x方向上总共的衍射倍率因子M_x ²等于16。

在经过了波束变换装置3之后，各个部分波束17入射到波束合成装置4上。波束合成装置4与波束划分装置2相应地也由下述阵列构成：在波束合成装置4的入射面上采用凹柱面阵列18，而在其出射面上采用凸柱面阵列19。与波束合成装置4相连接地在光路中置入了另一个望远镜20，该望远镜通过相应设置的柱面透镜21、22使y方向上的波束展宽。

图4c示出了激光射线23经过了波束合成装置4和望远镜20之后的横截面。图中所示的激光射线23是具有正方形横截面的单个激光波束。尤其是其中x方向上的衍射倍率因子M_x ²等于16，y方向上的衍射倍率因子M_y ²等于1。

也可以不设置波束合成装置。另外也可以省去望远镜20，或者可由其它构造的透镜来代替望远镜20，这些其它构造的透镜同样包括圆柱轴在x方向上延伸的柱面透镜。这种设计的一个例子在图12至图14e中示出。

该激光射线23穿过均匀化装置5(参见图5a和图5b)，均匀化装置5被构造成两个前后排列的柱面透镜阵列24、25。其中柱面透镜阵列24、25在z方向上彼此以大致相当于透镜阵列焦距的距离排列。由于波束变换，以及与之相关地衍射倍率因子M_x ²从4增大到16，在x方向上可以一个挨一个地设置多至16个柱面透镜24、25，而不会在工作面7中引起不希望的干涉效应。

在经过均匀化装置5之后，激光射线穿过带有两个透镜装置26、27的透镜系统6，该透镜系统6被构造为两个彼此间隔的柱面透镜，其中第一个设计成柱面透镜的透镜装置26的圆柱轴在y方向上延伸，第二个设计成柱面透镜的透镜装置27的圆柱轴在x方向上延伸。通过透镜装置6，不仅激光射线被聚焦，从而在工作面7上产生线状的强度分布28(参见图7)，而且激光射线的由于柱面透镜24、25而在不同方向和/或相同方向上传播的各个部分在工作面7上叠加。这是基于用于通过柱面透镜阵列和相邻接的透镜进行均匀化的已知原理，这些透镜用作物镜，并且激光射线在工作面内叠加。因此透镜系统6用作聚焦装置，并对均匀化做出贡献。

工作面7内的线状强度分布28例如由图7示出。其中该线状强度分布28被示意性地表示，并且长度l可以在10mm至1000mm之间，例如约为100mm，宽度d在1μm至100μm之间，例如约为10μm。这表明：利用根据本发明的设备，并且在采用多模激光源的情况下，能够得到具有非常小的宽度、某些情况下还具有较大的景深的焦点区域。由此出发可以使强度分布28的宽度小于10μm。这例如与所采用的透镜的数值孔径有关。

在y方向上，也就是说在垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上，激光射线可具有高斯分布或平顶分布或者任意其它的分布。

图8示出了波束合成装置的另一实施方式。该波束合成装置包括透镜装置29，其用作傅立叶透镜或傅立叶透镜组。这意味着：波束变换装置3的出射面30位于透镜装置29的入射一侧的傅立叶平面或焦平面内，而均匀化装置5的入射面31位于透镜装置29的出射一侧的傅立叶平面或焦平面内。也就是说，波束变换装置3的出射面30内的强度分布被傅立叶变换到均匀化装置5的入射面13内。

同时，各个部分波束17(在图8中绘出了其中的两条部分波束)在均匀化装置5的入射面31内相互叠加。由于各个部分波束17中的每一个是从不同方向进入到入射面31内的，均匀化装置5的柱面透镜24、25的数目可以减少，尤其是减少一个对应于部分波束17的数目、从而对应于波束变换装置3的柱面16的数目的系数。

透镜装置29可以构造成单个的透镜，或者可以构造成多个透镜。当透镜装置29由多个透镜构成时，这些透镜被如此设置在所述设备中，使得波束变换装置3的出射面30位于透镜装置29入射一侧的系统焦平面内，而均匀化装置5的入射面31位于透镜装置29的出射一侧的系统焦平面内。

此外，透镜装置29中的一个或多个透镜可以构造成圆柱轴在y方向上延伸的柱面透镜。

在图8中用虚线绘出的透镜装置32用于使激光射线在y方向上准直。该透镜装置32是可选的，并可设置在波束变换装置3和透镜装置29之间。该透镜装置32可以构造成单个透镜或者可以构造成多个透镜。此外，透镜装置32中的一个或多个透镜可以构造成圆柱轴在x方向上延伸的柱面透镜。

图9a和图9b示出了波束划分装置2’的第二种实施方式。该波束划分装置2’包括两个柱面透镜阵列33、34。第一个柱面透镜阵列33在其出射一侧具有多个在x方向上一个挨一个排列的凸柱面透镜35，这些凸柱面透镜35的圆柱轴在y方向上延伸。第二个柱面透镜阵列34在其入射一侧具有多个在x方向上一个挨一个排列的凸柱面透镜36，这些凸柱面透镜36的圆柱轴同样也在y方向上延伸。柱面透镜阵列33、34之间的间距相当于第一柱面透镜阵列33中柱面透镜35的焦距f₃₅。

通过这种方式可以实现激光射线8的傅立叶变换，其中尤其是波束变换装置3被设置在波束划分装置2’的出射一侧的傅立叶平面内。通过这种傅立叶变换，能够在工作面7实现y方向或者说垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上的强度分布特性，其具有平顶形状38，如图10中示意性示出的。

可类比的强度分布特性可以和波束划分装置2、2’无关地由构造为柱面透镜的透镜装置37来实现，该透镜装置37位于波束变换装置3后面，或者作为替代位于均匀化装置5后面。透镜装置37的圆柱轴37在x方向上延伸(参见图9a和图9b)。

尤其具有优点的是这样一个变体：其中透镜装置37能够在激光射线的传播方向z上移动。通过改变透镜装置37在z方向上的位置，可以对在y方向或者说垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上的工作面7内所得到的强度分布特性施加影响。例如，通过改变透镜装置37在z方向上的位置，可以将平顶形38的强度分布特性转换成具有相对尖锐的最大值的形状39的强度分布特性(参见图11)。这种类型的强度分布特性在某些应用中是特别有利的。

在图12至图14e中，相同的部分用和图1至图11中相同的附图标记来表示。在图12、图13a和图14a中，所示光学元件在光传播方向z上的间距没有按真实比例给出。

图12示出了波束变换装置3后面的区域。在所示实施方式中，代替柱面透镜21、22，设置了两个构造为柱面透镜的凸透镜装置37、40，其圆柱轴同样也在x方向上延伸。透镜装置37、40可以对y方向或者说垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上的工作面7内所得到的强度分布特性施加影响。透镜装置37可以是如在图9a和图9b中示例性示出的可移动的透镜装置37。

均匀化装置5和构造为柱面透镜的透镜装置26在图12中仅用虚线示出，因为其圆柱轴是在y方向上延伸的，因此这些透镜对y方向或者说垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上的工作面7内所得到的强度分布特性没有影响。此外还绘出了构造为柱面透镜的透镜装置27和工作面7。

例如，透镜装置37的焦距f₃₇为30mm，透镜装置40的焦距f₄₀为1000mm，透镜装置27的焦距f₂₇为30mm。如图12中示意性表示的，透镜装置40与透镜装置27之间的距离相当于透镜装置40和透镜装置27的焦距f₄₀、f₂₇之和f₄₀+f₂₇，即例如为1030mm。因此透镜装置40和透镜装置27形成了一个望远镜，该望远镜能够将位于透镜装置40前面的强度分布传递到工作面7中。其中，由于焦距之比f₄₀/f₂₇＝33，激光射线在望远镜前面的区域内的射线场或束腰的展宽在传递到工作面7中之后被减小了。例如，这样得到的y方向或者说垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上的束腰展宽约为20μm。

在图13中示出了移动透镜装置37的效果。其中用37₁、37₂和37₃来表示不同位置处的透镜装置37。此外，用41₁、41₂和41₃来表示由透镜装置37的不同位置得到的透镜装置37出射一侧的焦平面。另外，用7₁、7₂和7₃来表示由此得到的工作面7的移位。

在如图9a和图9b所示的波束划分装置2’的结构中，在透镜装置37的入射一侧的焦平面内得到的y方向上的强度分布如图13b所示。该强度分布对应于函数F(x)＝(sin(x))/x。这样的函数F(x)是平顶强度分布的傅立叶变换。这意味着：在位于第一个位置处的透镜装置37₁的出射一侧的焦平面41₁内，也就是说在经过了由透镜装置37₁进行的傅立叶变换之后，得到了对应于平顶分布的y方向上的强度分布。这种平顶分布通过由透镜装置40和透镜装置27形成的望远镜被传递到工作面7₁内。因而，在工作面7₁中，激光射线在y方向或者说垂直于线状强度分布28的纵向延伸的方向上具有如图13c所示的平顶分布。

透镜装置37₁移动到第二个位置，在该位置处透镜装置用附图标记37₂来表示，透镜装置的移动使得出射一侧的焦平面移动到用附图标记41₂表示的位置。与此相应地，工作面也很简单地移动到用附图标记7₂表示的位置。这表明：通过将透镜装置37移动到第二个位置，使得工作面7₂内的强度分布特性被改变成如图13d所示的分布。这种分布基本上对应于符合(sin(x))/x的分布。

透镜装置37₂进一步移动到第三个位置，在该位置处透镜装置用附图标记37₃来表示，透镜装置的移动使得出射一侧的焦平面移动到用附图标记41₃表示的位置。与此相应地，工作面也很简单地移动到用附图标记7₃表示的位置。这表明：通过将透镜装置37移动到第三个位置，使得工作面7₃内的强度分布特性被改变成如图13e所示的分布。这种分布同样基本上对应于符合(sin(x))/x的分布，但是其中束腰在y方向上的展宽相对于图13d所示的分布略微减小。

由于由透镜装置40和透镜装置27形成的望远镜的放大或缩小特性，通过将透镜装置37从第一个位置移动到第二个位置或者第三个位置，只会使工作面不明显地从7₁移动到7₂或7₃。例如，在示例性提及的焦距下，透镜装置37移动200mm，到达用37₂或37₃表示的位置，则工作面仅移动一个较小的系数33²。因此从7₁移动到7₂或7₃仅仅只有0.18mm。这种移位实际上相对来说是观察不到的。

图14a至图14e示出了可以与图13a至13e相比的情况，其中仅仅是在透镜装置37的入射一侧的焦平面内的y方向上的强度分布对应于图14b所示的分布，因而对应于平顶分布。这种分布例如在波束划分装置2按照图2a和图2b所示构造时在透镜装置37的入射一侧的焦平面内得到。这样，在位于第一个位置的透镜装置37₁的情况下，在出射一侧的焦平面41₁内得到对应于(sin(x))/x分布的强度分布。然后相应的分布也在工作面7₁中得到(参见图14c)。

通过将透镜装置37移动到用37₂和37₃表示的第二或第三个位置，在工作面7₂、7₃内得到如图14d和图14e所示的分布。这表明：在透镜装置37的入射一侧的焦平面中为平顶分布的情况下，可以实现与图13a至图13e所示情况可类比的强度分布(参见图14c至图14e)。

透镜装置37可由一个单个的柱面透镜或者由多个透镜组成。此外，透镜装置40也可以由一个单个的柱面透镜或者由多个透镜组成。另外，透镜装置27也可以由一个单个的柱面透镜或者由多个透镜组成。

Claims (22)

1.一种波束成形设备，尤其是用于在工作面(7，7₁，7₂，7₃)内产生线状强度分布(28)的波束成形设备，包括：

能够发射激光射线(8)的激光源(1)，

能够将激光射线(8)转换成工作面(7，7₁，7₂，7₃)内的线状强度分布(28)的光学装置，

其特征在于，所述设备包括用于影响工作面内的线状强度分布(28)的透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)，最好是能够在激光射线(8)的传播方向上移动的透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)，其中通过改变透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)在激光射线传播方向(z)上的位置，能够改变垂直于线状强度分布(28)的延伸方向的强度分布特性。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于，通过改变透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)在激光射线传播方向(z)上的位置，使强度分布特性从平顶形状(38)变为具有相对尖锐的最大值的形状(39)。

3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)被构造为柱面透镜，所述柱面透镜的圆柱轴指向线状强度分布(28)的纵向延伸方向。

4.根据权利要求1至3中任一项的设备，其特征在于，所述设备还包括望远镜，该望远镜在激光射线(8)的传播方向(z)上位于能够移动的透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)后面，其中该望远镜由至少两个另外的透镜装置(27，40)构成，所述另外的透镜装置至少在一个垂直于线状强度分布(28)的纵向延伸方向的方向(y)上具有折光力。

5.根据权利要求4的设备，其特征在于，透镜装置(27，40)分别被构造为柱面透镜，其圆柱轴指向线状强度分布(28)的纵向延伸方向。

6.根据权利要求1至5中任一项的设备，其特征在于，所述激光源(1)能够发出多模激光射线(8)，其中不仅在垂直于激光射线(8)的传播方向(z)的第一个方向(x)上的衍射倍率因子(M_x ²)大于1，而且在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射倍率因子(M_y ²)也大于1。

7.根据权利要求1至6中任一项的设备，其特征在于，所述设备包括波束变换装置(3)，该波束变换装置如此设置在所述设备中，使得它能够对激光射线(8)或激光射线(8)的部分波束(14)进行变换，使第一个方向(x)上的衍射倍率因子(M_x ²)增大，而第二个方向(y)上的衍射倍率因子(M_y ²)减小。

8.根据权利要求7的设备，其特征在于，所述波束变换装置(3)能够如此对激光射线(8)或激光射线(8)的部分波束(14)进行变换，使得激光射线(8)或每一个部分波束(14)在第一个方向(x)上的衍射倍率因子(M_x ²)和/或空间相干特性与在第二个方向(y)上的衍射倍率因子(M_y ²)和/或空间相干特性互换。

9.根据权利要求7或8的设备，其特征在于，所述波束变换装置(3)能够使激光射线(8)或各个部分波束(14)相对于激光射线(8)的传播方向(z)转动一个不等于0°的角度，尤其是90°。

10.根据权利要求7或8的设备，其特征在于，所述波束变换装置(3)能够如此对激光射线(8)或各个部分波束(14)进行变换，使得要被变换的部分波束(14)的横截面被变为相对于要变换的部分波束(14)的横截面好像在一个平行于激光射线(8)的传播方向(z)的平面处被镜面反射的横截面。

11.根据权利要求7至10中任一项的设备，其特征在于，能够移动的透镜装置(37，37₁，37₂，37₃)在激光射线传播方向(z)上位于所述波束变换装置(3)后面。

12.根据权利要求1至11中任一项的设备，其特征在于，所述设备还包括用于将激光射线(8)分成多个部分波束(14)的波束划分装置(2，2’)，该波束划分装置最好在激光射线传播方向(z)上位于波束变换装置(3)前面，使得所述波束变换装置能够对激光射线进行傅立叶变换。

13.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述波束变换装置(3)位于所述波束划分装置(2，2’)的后面，最好是位于波束划分装置(2’)的出射一侧的傅立叶平面内。

14.根据权利要求12或13的设备，其特征在于，所述波束划分装置(2，2’)包括至少一个柱面透镜阵列(33，34)，最好是包括两个在激光射线传播方向(z)上彼此间隔的柱面透镜阵列(33，34)。

15.根据权利要求14的设备，其特征在于，所述的两个在激光射线传播方向(z)上彼此间隔的柱面透镜阵列(33，34)之间的距离相当于第一个柱面透镜阵列(33)中柱面透镜(35)的焦距(f₃₅)。

16.根据权利要求1至15中任一项的设备，其特征在于，所述设备包括用于对激光射线(8)进行均匀化的均匀化装置(5)。

17.根据权利要求1至16中任一项的设备，其特征在于，所述设备包括波束合成装置(4)，该波束合成装置能够将经过波束变换装置(3)的变换之后的各个部分波束(17)汇合到一起。

18.根据权利要求1至17中任一项的设备，其特征在于，所述激光源(1)不作为半导体激光器实现。

19.根据权利要求1至18中任一项的设备，其特征在于，激光源(1)的激光射线(8)在波束变换之前，不仅在垂直于激光射线(8)的传播方向(z)的第一个方向(x)上的衍射倍率因子(M_x ²)大于2、尤其是大于4、最好是大于6，而且在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射倍率因子(M_y ²)也大于2、尤其是大于4、最好是大于6。

20.根据权利要求1至19中任一项的设备，其特征在于，激光源(1)的激光射线(8)在波束变换之前，在垂直于激光射线(8)的传播方向(z)的第一个方向(x)上的衍射倍率因子(M_x ²)最大为在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射倍率因子(M_y ²)的十倍，尤其是最大为五倍，最好是最大为两倍。

21.根据权利要求1至20中任一项的设备，其特征在于，激光源(1)的激光射线(8)在波束变换之前，在垂直于激光射线(8)的传播方向(z)的第一个方向(x)上的衍射倍率因子(M_x ²)等于在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射倍率因子(M_y ²)。

22.根据权利要求1至21中任一项的设备，其特征在于，所述激光源(1)作为Nd-YAG激光器或者作为准分子激光器来实现。

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