CN105143962B - 用于均匀化激光辐射的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于均匀化激光辐射(100)的设备，该设备包括第一透镜阵列(1)，该第一透镜阵列具有第一光学功能边界面(10)和第二光学功能边界面(11)，激光辐射(100)能够通过所述第一光学功能边界面射入第一透镜阵列(1)中，并且激光辐射(100)能够通过所述第二光学功能边界面从第一透镜阵列(1)中射出，其中，这两个光学功能边界面(10、11)中的至少一个光学功能边界面包括多个透镜器件(3)，这些透镜器件适用于将激光辐射(100)分解成多个分光束(101、102、103)，并且该设备包括第二透镜阵列(2)，该第二透镜阵列在光束路径中设置在第一透镜阵列(1)下游，所述第二透镜阵列具有第一光学功能边界面(20)和第二光学功能边界面(21)，分光束(101、102、103)能够通过所述第一光学功能边界面射入第二透镜阵列(1)中，并且分光束(101、102、103)能够通过所述第二光学功能边界面从第二透镜阵列(2)中射出，其中，这两个光学功能边界面(20、21)中的至少一个光学功能边界面具有多个透镜器件(4)，这些透镜器件能够使分光束(101、102、103)折射，其中，所述第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)构造成，使得这些透镜器件能够将激光辐射(100)分解为多个分光束(101、102、103)并且使这些分光束这样成形，使得分光束(101、102、103)能够基本上均匀地照亮第二透镜阵列(2)的透镜器件(4)。

Description

用于均匀化激光辐射的设备
技术领域
本发明涉及一种用于均匀化激光辐射的设备，该设备包括第一透镜阵列，该第一透镜阵列具有第一光学功能边界面以及第二光学功能边界面，激光辐射可通过第一光学功能边界面射入第一透镜阵列中，激光辐射可通过第二光学功能边界面从第一透镜阵列中射出，其中，这两个光学功能边界面的至少一个光学功能边界面包括多个透镜器件，这些透镜器件适用于将激光辐射分解成多个分光束，并且该设备包括第二透镜阵列，该第二透镜阵列在光束路径中设置在第一透镜阵列下游，所述第二透镜阵列具有第一光学功能边界面以及第二光学功能边界面，分光束可通过第一光学功能边界面射入第二透镜阵列中，分光束可通过第二光学功能边界面从第二透镜阵列中射出，其中这两个光学功能边界面的至少一个光学功能边界面包括多个透镜器件，这些透镜器件可将分光束折射。
背景技术
定义：激光辐射的传播方向是指激光辐射的平均传播方向，尤其是当该激光辐射不是平面波或至少部分发散时。若没有明确的另外说明，激光束、光束、分光束或射束不是指几何光学器件的理想化的光束，而是指实际的光束、例如具有高斯分布或修正的高斯分布或平顶分布(Top-Hat-Profil)的激光束，该激光束不具有无穷小的光束横截面，而是具有扩展的光束横截面。
开头所提类型的用于均匀化激光辐射的设备在现有技术中以各种不同的实施方式公开。这些设备用于实现在工作平面中沿至少一个方向激光辐射的强度的尽可能均匀(相等)的分布，这种设备为许多应用目的所需，例如可用于材料加工。
所画出的用于均匀化激光辐射的设备构造成两级的并且包括构成第一均匀化级的第一透镜阵列，该第一透镜阵列在第一光学功能边界面和/或第二光学功能边界面上具有多个透镜器件、尤其是柱面透镜器件。此外，这种类型的设备包括第二透镜阵列，该第二透镜阵列构成第二均匀化级并且沿着激光辐射的传播方向设置在第一透镜阵列下游并且在第一光学功能边界面和/或第二光学功能边界面上具有多个透镜器件、尤其是柱面透镜器件。此外，这种类型的用于均匀化光的设备常常构成有沿着光束传播方向位于第二透镜阵列下游的傅立叶透镜，该傅立叶透镜通常构造为球面透镜并且沿着光束传播方向设置在第二透镜阵列下游。第一透镜阵列的透镜器件对此能够将投射到第一透镜阵列上的准直过的激光束分解为多个分光束。第二透镜阵列结合傅立叶透镜对此能够将分光束在工作平面中这样叠加，使得能够在那里至少沿一个方向获得均匀(相等)的强度分布。傅立叶透镜的功能也能够以适当的方式被集成到第二透镜阵列中，从而能够在工作平面中获得均匀的强度分布。第一透镜阵列的柱面透镜器件的横截面轮廓(横向于这些柱面透镜器件各自的柱面轴线)构造成球面的并且因此可在数学上非常简单地通过唯一的半径(曲率半径)来描述。此外，第二透镜阵列的柱面透镜器件的横截面轮廓(横向于其各自的柱面轴线)也构造成球面的。
由现有技术已知的用于均匀化激光辐射的设备的缺点在于，在第二透镜阵列的各个透镜器件上的分光束的能量密度(或强度)可能是如此高的，使得超过在那里选择性施加的抗反射涂层的破坏阈值，从而可能导致该抗反射涂层的损伤。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种开头所提类型的用于均匀化激光辐射的设备，该设备能够以简单的方式降低投射到第二透镜阵列的透镜器件上的分光束的能量密度。
该任务通过开头所述类型的用于均匀化激光辐射的设备来解决。
按本发明的用于均匀化激光辐射的设备的特征在于，第一透镜阵列的透镜器件构造成，使得这些透镜器件可将激光辐射分解为多个分光束并且使分光束这样成形，使得分光束能够基本上均匀地照亮第二透镜阵列的透镜器件。这种解决方案充分利用用于均匀化激光辐射的两级的(并且由此所示的)设备的第一透镜阵列来避免第二透镜阵列透镜器件被过度照亮并且因而遭受较高的强度。第二透镜阵列的使得分光束发生折射的透镜器件在此对于激光辐射在工作表面中的均匀性起决定性作用。借助按本发明的用于均匀化激光辐射的设备可以以有利的方式实现：这样降低分光束在第二透镜阵列的各个透镜器件上的能量密度(或强度)，使得始终低于在那里选择性施加的抗反射涂层的破坏阈值，从而可有效地避免抗反射涂层的损伤。此外，可以以特别有利的方式减弱在对抗反射涂层施加在紫外光谱范围内的电磁辐射时可能出现的老化效果。在穿过第二透镜阵列之后获得分光束的均匀的角分布，该均匀角分布在光学远场中在距离第二透镜阵列足够远的工作平面中产生基本上均匀的强度分布。
在一种优选实施方式中建议，第一透镜阵列的透镜器件中的至少一些透镜器件构造成非球面或非柱面的。通过该手段可以极为简单的方式实现根据本发明的用于第二透镜阵列的照亮条件。特别优选地，第一透镜阵列的所有透镜器件构造成非球面或非柱面的。由此可特别简单地制造第一透镜阵列，因为第一透镜阵列的所有透镜器件具有(优选相同的)非球面或非柱面的横截面轮廓。与之相比，第二透镜阵列的透镜器件优选具有球面的横截面轮廓。
在一种优选实施方式中建议，第一透镜阵列的透镜器件具有焦距f1，并且第二透镜阵列的透镜器件具有焦距f2，其中这样选择焦距f1、f2，使得f1＝f2。
在一种特别优选的实施方式中也可能的是，第一透镜阵列的透镜器件具有焦距f1，并且第二透镜阵列的透镜器件具有焦距f2，其中这样选择焦距f1、f2，使得f1>f2。
在另一种特别有利的实施方式中也可能的是，第一透镜阵列的透镜器件具有焦距f1，并且第二透镜阵列的透镜器件具有焦距f2，其中这样选择焦距f1、f2，使得f1<f2。
已证明的是，第一和第二透镜阵列的不同焦距f1、f2可以有利地改善第二透镜阵列的透镜器件的均匀照亮。
在一种特别有利的实施方式中，第一透镜阵列和第二透镜阵列可以以间距d隔开地设置，其中这样选择间距d，使得d＝f2。严格来说，这种情况只有在第一透镜阵列的透镜器件的透镜顶点正好指向第二透镜阵列的与这些透镜器件相对应的透镜器件的透镜顶点时才出现。否则间距d还须通过T/n(T：透镜厚度，n：折射率)进行校正。当第一透镜阵列的透镜器件之一以其顶点偏离第二透镜阵列的与该透镜器件相对应的透镜器件指向时，须分别从d＝f2中减去该长度。
优选第一透镜阵列和/或第二透镜阵列的透镜器件可构造为微透镜器件。
在一种特别优选的实施方式中建议，所述设备包括傅立叶透镜器件，该傅立叶透镜器件这样构造并且在光束路径中设置在第二透镜阵列的下游，使得该傅立叶透镜器件可将被第二透镜阵列的透镜器件折射的分光束在工作平面中叠加。由此可在沿光束传播方向位于第二透镜阵列下游的光学近场中的工作平面中获得均匀的强度分布。
在一种替代的实施方式中可能的是，第二透镜阵列构造成，使得该第二透镜阵列可将被其透镜器件折射的分光束在工作平面中叠加。在该变型方案中傅立叶透镜功能以有利的方式被集成到第二透镜阵列中。
在一种特别有利的实施方式中建议，第一透镜阵列的透镜器件构造为柱面透镜器件，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行地沿第一方向延伸并且这些柱面透镜器件适用于将激光辐射分解为多个分光束，和/或第二透镜阵列的透镜器件构造为柱面透镜器件，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行地沿第一方向延伸并且可将分光束折射。由此可在工作平面中获得特别高的光束质量。
在一种特别有利的实施方式中可规定，第一透镜阵列的柱面透镜器件中的至少一些柱面透镜器件、优选第一透镜阵列的所有柱面透镜器件横向于这些柱面透镜器件各自的柱面轴线看具有非球面的横截面轮廓。
在一种特别优选的实施方式中可能的是，第一透镜阵列的柱面透镜器件中的至少一些柱面透镜器件(优选第一透镜阵列的所有柱面透镜器件)的横截面轮廓关于正交于相应的柱面透镜器件的柱面轴线延伸的对称平面对称。根据另一种实施方式也可规定，第一透镜阵列的柱面透镜器件中的至少一些柱面透镜器件的横截面轮廓构造成非对称的。
借助在此提到的用于均匀化激光辐射的设备(其中第一透镜阵列的透镜器件的横截面轮廓构造成非球面或非柱面的)可将作用于第二透镜阵列上的最大强度降低到原最大强度的约50％。由此可特别有效地防止抗反射涂层的损伤。另外可有效地最小化在对抗反射涂层施加在紫外光谱范围内的电磁辐射时可能出现的老化效果。
在这种情况下，使用上述的用于均匀化激光辐射的设备可以影响在工作平面中的强度分布的均匀性和/或边沿陡度。根据具体应用这完全是可容忍的。必要时可通过适当调整第二透镜阵列来进行校正。
附图说明
参考附图借助对优选实施例的后续说明来阐述本发明的其它特征和优点。在附图中：
图1是用于均匀化光的设备的高度简化的示意性的侧视图，该设备按本发明的一种优选实施例构造；
图2是根据图1的设备的第一透镜阵列的柱面透镜器件的非球面横截面轮廓的示意图。
具体实施方式
参考图1下面应对用于均匀化激光辐射100的设备进行详细说明，该设备按本发明的一种优选实施例构造。为了简化进一步说明，在图1中画出笛卡尔坐标系，其定义了y方向和与之正交的z方向，z方向在当前是激光辐射100的传播方向。笛卡尔坐标系的x方向因此朝向图纸平面中延伸。
用于均匀化激光辐射100的设备构造成两级的并且包括第一透镜阵列1，该第一透镜阵列具有第一光学功能边界面10和第二光学功能边界面11，该第一光学功能边界面在当前构造成平面的，该第二光学功能边界面具有多个沿y方向并排设置的柱面透镜器件3，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行地沿x方向(并且因此朝向图纸平面中)延伸。第一透镜阵列1因而构造成平凸的。第一透镜阵列1的第一光学功能边界面10可以具有抗反射涂层，以便避免在使用过程中的反光损失并且改善穿过第一透镜阵列1的激光辐射100的传输。此外也可能的是，第一透镜阵列1的第二光学功能边界面11具有抗反射涂层。
沿光束传播方向(z方向)在第一透镜阵列1的下游设置第二透镜阵列2，该第二透镜阵列具有第一光学功能边界面20和第二光学功能边界面21，该第一光学功能边界面在当前同样构造成平面的并且构成光入射面，该第二光学功能边界面构成光出射面并且具有多个沿y方向并排设置的柱面透镜器件4。柱面透镜器件4的柱面轴线也沿x方向相互平行地延伸并且因此朝向图纸平面中延伸。第二透镜阵列21因而同样构造成平凸的。第二透镜阵列2的第一光学功能边界面20优选可以具有抗反射涂层，以便减少反光损失并且由此改善穿过第二透镜阵列2的激光辐射100的传输。也可能的是，第一透镜阵列2的第二光学功能边界面21具有抗反射涂层。
第一透镜阵列1和第二透镜阵列2的柱面透镜器件3、4在这里构造为在基板上的微柱面透镜器件。换言之，即这两个透镜阵列1、2构造成整块的。
用于均匀化激光辐射100的设备还包括构成球面的傅立叶透镜器件5，该傅立叶透镜器件在光束路径中设置在第二透镜阵列2的下游。
由这里未详细示出的激光源发出的并且借助至少一个准直设备准直的激光辐射100首先投射到第一透镜阵列1上。准直过的激光辐射100(其例如可以具有高斯分布形式的强度分布)在第一光学功能边界面10上射入第一透镜阵列1中并且在穿过光出射面11之后被柱面透镜器件2分解为与柱面透镜器件2的数量相等的分光束101、102、103。为了简单且清楚地表示，当前在图1中沿光束传播方向在第一透镜阵列1后面仅有意地画出了三个分光束101、102、103。
在接下来的光束路径中，分光束101、102、103经过第一光学功能边界面20射入第二透镜阵列2中，穿过该第二透镜阵列并且在第二光学功能边界面21上被构造在那里的柱面透镜器件4再次折射。在光束路径中设置在第二透镜阵列2下游的傅立叶透镜器件5对此能够将分光束101、102、103这样叠加在构成傅立叶透镜器件5的焦平面的工作平面6中，使得在那里至少沿一个方向可以获得均匀(相等)的强度分布。
第一透镜阵列1的柱面透镜器件3构造成，使得这些柱面透镜器件可以将激光辐射分解为多个分光束101、102、103并且可使这些分光束这样成形，即，使得分光束101、102、103能够基本上均匀地照亮第二透镜阵列2的柱面透镜器件4。由此实现，可以这样降低分光束101、102、103在第二透镜阵列2的各个柱面透镜器件4上的能量密度(或强度)，使得所述能量密度可以始终低于选择性施加在那里的抗反射涂层的破坏阈值，从而可有效地避免抗反射涂层的损伤。为了能够以特别简单的方式实现用于第二透镜阵列2的这些照亮条件，第一透镜阵列1的柱面透镜器件3(横向于这些柱面透镜器件各自的柱面轴线看)具有非球面的横截面轮廓。在图2中示例性示出以该方式构造的柱面透镜器件3的一种横截面轮廓。可清楚看到横截面轮廓的非球面形状。与此相比，第二透镜阵列2的柱面透镜器件4(横向于这些柱面透镜器件各自的柱面轴线看)具有球面的横截面轮廓。
存在这种可能性：第一透镜阵列1的柱面透镜器件3中的至少一些柱面透镜器件的横截面轮廓关于正交于相应柱面透镜器件3的柱面轴线延伸的对称平面7对称。图2示出这种情况。优选第一透镜阵列1的所有柱面透镜器件3的横截面轮廓关于对称平面7对称。作为替代方案也可规定的是，第一透镜阵列1的柱面透镜器件3的至少一些柱面透镜器件的横截面轮廓构造成非对称的。
在图1所示的实施例中，第一透镜阵列1的柱面透镜器件3具有焦距f1并且第二透镜阵列2的柱面透镜器件4具有焦距f2，这样选择焦距f1、f2，使得f1>f2。在一种替代的实施方式中也可这样选择第一透镜阵列1的柱面透镜器件3和第二透镜阵列2的柱面透镜器件4的焦距f1、f2，使得f1＝f2。在另一种替代的实施方式中也可这样选择焦距f1、f2，使得f1<f2。已证明的是，不同的焦距f1、f2可以有利地改善第二透镜阵列2的柱面透镜器件4的照亮。第一透镜阵列1和第二透镜阵列2优选可以以间距d彼此隔开地设置，这样选择该间距，使得d＝f2。严格来说，这种情况只有在第一透镜阵列1的柱面透镜器件3的透镜顶点正好指向第二透镜阵列2的与这些柱面透镜器件相对应的柱面透镜器件4的透镜顶点时才出现。否则间距d还须通过T/n(T：透镜厚度，n：折射率)来校正。当第一透镜阵列1的柱面透镜器件3之一以其顶点偏离第二透镜阵列2的与该柱面透镜器件相对应的柱面透镜器件4指向时，须分别从d＝f2中减去该长度。
借助在此提到的用于均匀化激光辐射100的设备(其中第一透镜阵列1的柱面透镜器件3的横截面轮廓构造成非球面的)可将作用于第二透镜阵列2上的最大强度降低到原最大强度的约50％。
在这里所述的实施例中，仅第一和第二透镜阵列1、2的第二光学功能边界面11、21具有多个柱面透镜器件3、4。原则上也可规定，第一透镜阵列1的第一光学功能边界面10具有多个并排设置的柱面透镜器件，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行并且垂直于在第二光学功能边界面11上的柱面透镜器件3的柱面轴线延伸。优选在第一透镜阵列1的第一光学功能边界面10上的柱面透镜器件也具有非球面的横截面轮廓。此外也存在这种可能性：第二透镜阵列2的第一光学功能边界面20具有多个并排设置的柱面透镜器件，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行并且垂直于在第二光学功能边界面21上的柱面透镜器件4的柱面轴线延伸。优选在第二透镜阵列2的第一光学功能边界面20上的柱面透镜器件也具有球面的横截面轮廓。
根据一种替代的、在此未明确示出的实施方式可能的是，第二透镜阵列2构造成，使得该第二透镜阵列能够将由其透镜器件4折射的分光束101、102、103在工作平面6中叠加。在该变型方案中，可省去沿光束传播方向位于第二透镜阵列2下游的傅立叶透镜器件5，因为傅立叶透镜器件5的上述功能被集成到了第二透镜阵列2中。
原则上也可能的是，用于均匀化激光辐射100的设备根本不设有傅立叶透镜器件5并且傅立叶透镜功能也不集成到第二透镜阵列2中。在激光辐射100穿过第二透镜阵列2之后实现分光束101、102、103的均匀的角分布，该均匀的角分布也在远场中在距离第二透镜阵列2足够远的工作平面中产生基本上均匀的强度分布。

Claims (16)

1.用于均匀化激光辐射(100)的设备，该设备包括：
-第一透镜阵列(1)，该第一透镜阵列具有第一光学功能边界面(10)和第二光学功能边界面(11)，具有高斯分布形式的强度分布的激光辐射(100)能够通过所述第一光学功能边界面射入第一透镜阵列(1)中，并且所述激光辐射(100)能够通过所述第二光学功能边界面从第一透镜阵列(1)中射出，其中，这两个光学功能边界面(10、11)中的至少一个光学功能边界面包括多个透镜器件(3)，这些透镜器件适用于将激光辐射(100)分解成多个分光束(101、102、103)；以及
-第二透镜阵列(2)，该第二透镜阵列在光束路径中设置在第一透镜阵列(1)下游，所述第二透镜阵列具有另外的第一光学功能边界面(20)和另外的第二光学功能边界面(21)，分光束(101、102、103)能够通过所述另外的第一光学功能边界面射入第二透镜阵列(2)中，并且分光束(101、102、103)能够通过所述另外的第二光学功能边界面从第二透镜阵列(2)中射出，其中，所述另外的第一光学功能边界面(20)和所述另外的第二光学功能边界面(21)中的至少一个光学功能边界面具有多个透镜器件(4)，这些透镜器件能够使分光束(101、102、103)折射，其中，在第二透镜阵列(2)的所述另外的第一光学功能边界面(20)上设置有抗反射涂层，
其中，所述第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)构造成，使得这些透镜器件能够将激光辐射(100)分解为多个分光束(101、102、103)并且使这些分光束这样成形，使得分光束(101、102、103)能够基本上均匀地照亮第二透镜阵列(2)的所述另外的第一光学功能边界面(20)，其中，第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)中的至少一些透镜器件构造成非球面或非柱面的。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的所有透镜器件(3)构造成非球面或非柱面的。
3.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)具有焦距f1并且所述第二透镜阵列(2)的透镜器件(4)具有焦距f2，其中这样选择焦距f1、f2，使得f1＝f2。
4.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)具有焦距f1并且所述第二透镜阵列(2)的透镜器件(4)具有焦距f2，其中这样选择焦距f1、f2，使得f1>f2。
5.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)具有焦距f1并且所述第二透镜阵列(2)的透镜器件(4)具有焦距f2，其中这样选择焦距f1、f2，使得f1<f2。
6.根据权利要求3的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)和第二透镜阵列(2)以间距d彼此隔开地设置，其中这样选择间距d，使得d＝f2。
7.根据权利要求4的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)和第二透镜阵列(2)以间距d彼此隔开地设置，其中这样选择间距d，使得d＝f2。
8.根据权利要求5的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)和第二透镜阵列(2)以间距d彼此隔开地设置，其中这样选择间距d，使得d＝f2。
9.根据权利要求1至8之一的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)和/或所述第二透镜阵列(2)的透镜器件(3、4)构造为微透镜器件。
10.根据权利要求1至8之一的设备，其特征在于，所述设备包括傅立叶透镜器件(5)，该傅立叶透镜器件这样构造并且在光束路径中设置在第二透镜阵列(2)的下游，使得该傅立叶透镜器件能够将由第二透镜阵列(2)的透镜器件(4)折射的分光束(101、102、103)在工作平面(6)中叠加。
11.根据权利要求1至8之一的设备，其特征在于，所述第二透镜阵列(2)构造成，使得该第二透镜阵列能够将由其透镜器件(4)折射的分光束(101、102、103)在工作平面(6)中叠加。
12.根据权利要求1至8之一的设备，其特征在于，
-所述第一透镜阵列(1)的透镜器件(3)构造为柱面透镜器件(3)，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行地沿第一方向延伸并且这些柱面透镜器件适用于将激光辐射(100)分解为多个分光束(101、102、103)，和/或
-所述第二透镜阵列(2)的透镜器件(4)构造为柱面透镜器件(4)，这些柱面透镜器件的柱面轴线相互平行地沿第一方向延伸并且能够将分光束(101、102、103)折射。
13.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的柱面透镜器件(3)中的至少一些柱面透镜器件横向于这些柱面透镜器件各自的柱面轴线看具有非球面的横截面轮廓。
14.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的所有柱面透镜器件(3)横向于这些柱面透镜器件各自的柱面轴线看具有非球面的横截面轮廓。
15.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的柱面透镜器件(3)中的至少一些柱面透镜器件的横截面轮廓关于正交于相应的柱面透镜器件(3)的柱面轴线延伸的对称平面(7)对称。
16.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述第一透镜阵列(1)的柱面透镜器件(3)中的至少一些柱面透镜器件的横截面轮廓构造成非对称的。
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