DE102004058044A1

DE102004058044A1 - Dielektrisches Pinhole zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlen

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Publication number: DE102004058044A1
Application number: DE200410058044
Authority: DE
Inventors: Ernst Bernhard Dr.rer.nat. Kley; Thomas Dipl.-Phys. Kämpfe; Andreas Prof.Dr.habil. Tünnermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: DE102004058044B4; WO2006058749A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ortsfrequenzfiltervorrichtung zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung. Diese weist einen für die Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Transmissionskörper und ein an dem Transmissionskörper angrenzend angeordnetes oder in den Transmissionskörper integriertes, Pinhole bildendes bzw. eine Apertur aufweisendes Element auf, wobei das Pinhole bildende Element eine diffraktive und/oder eine refraktive Ablenkstruktur aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Pinholes (auch als Lochblenden bezeichnet), die dazu verwendet werden, bei Laserstrahlen eine Ortsfrequenzfilterung vorzunehmen.

Pinholes bzw. Lochblenden zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Die konventionellen Pinholes bestehen aus einer absorbierenden oder einer reflektierenden Schicht, die mit einem Loch versehen ist. Kommerziell erhältlich sind Pinholes mit Lochdurchmessern bis etwa 1 μm und Dicken der absorbierenden oder reflektierenden Schicht von bis zu etwa 10 μm. Die Pinholes (alternativ wird im Folgenden auch der Begriff Nadelloch oder Apertur verwendet) sind hierbei beispielsweise in Edelstahl oder eine Kupferfolie präzisionsgeätzt. Wichtig ist hierbei eine möglichst idea le Rotationssymmetrie bzw. Rundheit des Nadellochs und die Freiheit des Lochrands von jeglichen Kantendefekten bzw. Kantenirregularitäten. Problematisch bei den Pinholes ist ihre mögliche Zerstörung aufgrund der übertragenen Wärmeleistung des Lasers bzw. der Laserleistung. Spezialausführungen konventioneller Pinholes für hohe Laserleistungen bestehen deswegen aus speziellen Legierungen (beispielsweise Molybdän), die zusätzlich mit wärmeableitenden Folien (beispielsweise aus Kupfer) versehen sind. Die Zerstörschwelle solcher Pinholes liegt im Bereich von mehreren MW/cm² für kontinuierliche Laserstrahlung (Continuous Wave-Strahlung) und etwa bei 1 J/cm² für gepulste Strahlung.

Der Durchmesser des Fokus eines Laserstrahls und die Länge des Fokus bzw. die Rayleighlänge eines Laserstrahls werden mit zunehmender Divergenz des Laserstrahls kleiner. Zur Ortsfrequenzfilterung geeignete Pinholes müssen damit ebenfalls kleinere Durchmesser und geringere Dicken aufweisen, damit das Pinhole bzw. das Nadelloch nicht den Charakter eines Rohres bekommt, der zu einer ungewollten Beschneidung des Strahls führen würde. Mit bei hohen Divergenzen somit erforderlichen geringen Dicken des Pinholes verringert sich jedoch die Zerstörschwelle des Pinholes (bedingt durch die Absorption oder Reflexion der unerwünschten Strahlanteile durch die konventionellen Pinholes), was den Einsatz bei sehr hohen Laserleistungen unmöglich macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Pinhole zur Ortsfrequenzfilterung bzw. eine Ortsfrequenzfiltervorrichtung mit einer Apertur zur Verfügung zu stellen, welche die Filterung bzw. Entfernung unerwünschter Laserstrahlanteile mit hoher Genauig keit und Effizienz auch bei Einsatz sehr hoher Laserleistungen und hoher Divergenzen des Laserstrahls erlaubt, ohne dass das Pinhole bzw. die Ortsfrequenzfiltervorrichtung zerstört wird oder der Laserstrahl unerwünscht beschnitten wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Ortsfrequenzfilterverfahren nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Nachfolgend und in der gesamten Erfindungsbeschreibung wird unter einem Pinhole sowohl die gesamte körperliche Vorrichtung (Ortsfrequenzfiltervorrichtung), mit der die Ortsfrequenzfilterung der Laserstrahlung vorgenommen werden kann (inklusive des Nadellochs), als auch lediglich das eigentliche Nadelloch (bzw. die Apertur, welche es ermöglicht, dass erwünschte Strahlanteile zumindest näherungsweise unabgelenkt und ungeschwächt verbleiben) verstanden. Was jeweils gemeint ist, geht aus dem jeweiligen Zusammenhang, in dem der Begriff des Pinholes verwendet wird, hervor.

Die Lösung erfolgt durch ein dielektrisches Pinhole, welches die unerwünschten Strahlanteile ablenkt, anstatt sie zu absorbieren. Die Ablenkung erfolgt durch eine Ablenkstruktur bzw. durch Mikrostrukturen, deren Dicke in Strahlrichtung vorzugsweise nur wenige μm beträgt. Hierdurch wird der Charakter eines Rohres auch bei sehr hohen Divergenzen und damit notwendigen kleinen Durchmessern des Pinholes vermieden. Das Pinhole bzw. die Ortsfrequenzfiltervorrichtung weist einen für die Laserstrahlung transparenten Transmissionskörper und ein an diesem Transmissionskörper angrenzend angeordnetes oder in den Transmissionskörper integriertes, ein Nadelloch bzw. eine Apertur aufweisendes Element auf. Das das eigentliche Pinhole ausbildende Element weist hierbei eine diffraktive oder eine refraktive Ablenkstruktur auf. Durch die Ablenkstruktur werden die unerwünschten Strahlanteile der eingestrahlten Laserstrahlung aus der Einstrahlrichtung abgelenkt bzw. aus dem Nutzstrahlbündel entfernt.

Die (für den Transmissionskörper und bevorzugt auch für die Ablenkstruktur) verwendeten dielektrischen Materialien sind somit für die Laserstrahlung transparent und weisen eine wesentlich höhere Zerstörungsschwelle auf als die für die konventionellen Pinholes verwendeten Materialien. So kann beispielsweise Quarzglas eingesetzt werden, welches für gepulste Strahlung eine Zerstörschwelle von etwa 4000 J/cm² aufweist. Die Zerstörschwelle wird hierbei durch die Mikrostrukturen nicht wesentlich verringert. So hat beispielsweise Quarzglas mit einer Gitterstruktur bzw. einer diffraktiven Struktur eine Zerstörschwelle von etwa 2400 J/cm².

Wie bereits beschrieben kann die Ablenkung der unerwünschten Laserstrahlanteile durch eine diffraktive oder eine refraktive Struktur erfolgen. Bei der diffraktiven, mit Lichtbeugung arbeitenden Variante werden, bevorzugt durch ein kreisförmiges, binäres Gitter, kreisförmige Beugungsordnungen erzeugt. Ein binäres Gitter ist ein Gitter mit genau zwei Höhenstufen bzw. Ausdehnungen in Strahlrichtung.

Alle Beugungsordnungen außer der nullten Beugungsordnung werden durch angemessene Wahl der Periode des Gitters aus dem Bereich des Laserstrahls (der Idealerweise im Querschnitt gaußförmig ist) hinausgebeugt. Die nullte Beugungsordnung kann durch Optimierung der Gitterparameter Füllfaktor und Tiefe unterdrückt werden. Bei der refraktiven Variante bzw. der über Lichtbrechung arbeitenden Variante wird die Ablenkung bevorzugt durch ein kreisförmiges, dielektrisches Prisma erreicht. Aus dem zur Entfernung der unerwünschten Strahlanteile benötigten Ablenkwinkel ergibt sich je nach Beleuchtungsrichtung, d.h. je nach Einfallswinkel des Laserstrahls in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Pinholes, der nötige Anstiegswinkel des Prismas. Die Beleuchtungsrichtung sollte hierbei so gewählt werden, dass der Laserstrahl senkrecht zur Pinholeebene bzw. parallel zur Symmetrieachse des Pinholes einfällt.

Gegenüber den konventionellen Pinholes weisen die erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes den Vorteil auf, dass sie insbesondere auch zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlen hoher Divergenz und hoher Leistung geeignet sind. Sie weisen eine deutlich erhöhte Zerstörschwelle auf, so dass der Einsatz auch bei sehr hohen Laserleistungen möglich ist, ohne das Pinhole zu zerstören. So können in Strahlrichtung gesehen sehr dünne Pinholes hergestellt werden, welche eine Beschneidung des Laserstrahls auch bei hohen Divergenzen des Strahls vermeiden.

Erfindungsgemäße Pinholes bzw. Ortsfrequenzfiltervorrichtungen können, wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben, aufgebaut sein und verwendet werden. In den den Beispielen zugehörigen Figuren werden für identische bzw. sich entsprechende Elemente identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein konventionelles Pinhole.
2 zeigt die wesentlichen geometrischen Größen eines gaußförmigen Laserstrahls bzw. eines Gaußstrahls.
3 zeigt das Funktionsprinzip erfindungsgemäßer dielektrischer Pinholes.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes refraktives, dielektrisches Pinhole.
5 zeigt die Wirkungsweise des dielektrischen Pinholes aus 4 im Detail.
5a zeigt das Prinzip der Grautonlithographie mit anschließendem Proportionaltransfer.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes diffraktives, dielektrisches Pinhole.
7 zeigt die Wirkungsweise des diffraktiven, dielektrischen Pinholes aus 6 im Detail.
7a zeigt die Ergebnisse für eine Optimierungsrechnung für die Unterdrückung der nullten Beugungsordnung.
7b skizziert die Basis der Ablenkungsbedingung θ_p ≥ 2·θ.
8 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen diffraktiven, dielektrischen Pinholes.
9 zeigt die Filterwirkung verschiedener Pinholes im Vergleich.
1 zeigt ein konventionelles Pinhole bzw. eine konventionelle Ortsfrequenzfiltervorrichtung und definiert einige Größen, die zum Verständnis der Funktionsweise eines Pinholes notwendig sind. 1 zeigt (wie auch die 3 bis 6) einen Schnitt in einer Ebene durch das Zentrum eines Pinholes, wobei die Schnittebene parallel zur Strahlrichtung der auf das Pinhole eingestrahlten Laserstrahlung ist. Die konventionelle, dargestellte Ortsfrequenzfiltervorrichtung weist eine Apertur bzw. ein Pinhole 7 zylindrischer Form, welche bzw. welches in eine Metallfolie 1 eingebracht ist, auf. Gezeigt sind in 1a von der Metallfolie 1 lediglich die beiden Ränder 1a und 1b, welche den Mantel des Pinholes 7 ausbilden. Auf die Filtervorrichtung wird ein in einer Schnittebene senkrecht zur Einstrahlrichtung bzw. Zentralstrahlrichtung gesehen gaußförmiger Laserstrahl 2 eingestrahlt. Die Zentralstrahlrichtung ist mit z bezeichnet. Dargestellt sind zwei Einzelstrahlen 2a, 2b des Laserstrahlenbündels, welche durch das Pinhole nicht ausgefiltert werden (1a und 1c) bzw. eigentlich nicht ausgefiltert werden sollten (1b). Der Durchmesser des Pinholes bzw. der Apertur 7 senkrecht zur Strahlrichtung ist mit d_p bezeichnet. Die Dicke bzw. Tiefe des Pinholes 7 in Strahlrichtung ist mit s_p bezeichnet. Der Gaußstrahl ist durch eine in Strahlrichtung vor dem Pinhole angeordnete, nicht dargestellte Fokussierlinse auf die Fokusebene 3 fokussiert, in der das Pinhole angeordnet ist. In der Fokusebene 3 weist der Gaußstrahl seinen geringsten Strahlquerschnitt bzw. die geringste Strahlausdehnung in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung auf. In 1b ist ein Gaußstrahl gezeigt, welcher im Vergleich zum in 1a gezeigten Gaußstrahl eine deutlich höhere Divergenz (siehe hierzu 2) aufweist. Die in 1b gezeigte konventionelle Ortsfrequenzfiltervorrichtung 1 ist hierbei zur Filterung des Strahls hoher Divergenz nicht geeignet: Diejenigen beiden Randstrahlen des Strahlenbündels der Laserstrahlung 2, welche durch das Pinhole gerade nicht ausgefiltert werden sollten (Strahlen 2a, 2b) werden aufgrund der hohen Divergenz und der nicht angepassten, d.h. der zu großen Dicke s_p des Pinholes 7 beschnitten. Eine solche Beschneidung kann bei einem Strahl hoher Divergenz durch ein sehr dünnes Pinhole, wie es in 1c dargestellt ist, vermieden werden. Ein solches sehr dünnes, konventionelles Pinhole ist jedoch nicht für den Einsatz bei hohen Laserleistungen geeignet, da es durch diese zerstört wird.
2 skizziert die geometrischen Verhältnisse bei einem gaußförmigen Laserstrahlenbündel bzw. Laserstrahl 2. Gezeigt ist ein Schnitt in einer Ebene durch die Zentralstrahlachse z und in Strahlrichtung. Ein idealer Laserstrahl weist im Strahlquerschnitt senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf. Der Strahldurchmesser d wird meist als derjenige Wert angegeben, bei dem die Intensität auf das 1/e²-fache des Maximalintensitätswertes (auf der Zentralstrahlachse z) abgefallen ist. Dieser Durchmesser ist hier durch die Randstrahlen 2a, 2b skizziert. Zwischen zwei optischen Elementen lässt sich die Ausdehnung d(z) des Strahls entlang der Strahlachse z durch die folgende Gleichung beschreiben: d2(z) = dg 2 + θ2z2
Der Gaußstrahl weist in der Fokusebene 3 (senkrecht zur Zeichenebene) seinen geringsten Durchmesser, den Durchmesser d_g auf. Das Fernfeldverhalten wird durch die Divergenz θ beschrieben (asymptotisches Verhalten weit entfernt von der Fokusebene). θ entspricht somit dem halben Öffnungswinkel des Gaußstrahlenkegels im Fernfeld (Fernfeld: Abstand von der Fokusebene 3 deutlich größer als Rayleighlänge z₀, d.h. Abstand mindestens etwa 5 Rayleighlängen; zur Definition von z₀ siehe später). Das Produkt aus minimalem Strahldurchmesser d_g und Divergenz θ ist konstant: dgθ = 4λ/π
Ein Maß für die Kollimation des Laserstrahls ist die Rayleighlänge z₀. Diese ist derjenige Abstand in Strahlrichtung z von der Fokussierebene 3, wo der Strahldurchmesser des Gaußstrahls √2d_g = d_z0 ist.
3 skizziert die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes 4, 5, 6. Entlang der Zentralstrahlachse z wird der gaußförmige Laserstrahl 2 auf das Pinhole 4, 5, 6 eingestrahlt. Erwünschte Strahlanteile, dies sind die innerhalb des Kegels, der durch die Randstrahlen 2a, 2b gegeben ist, liegenden Strahlanteile (bzw. Strahlanteile, die dem Zentralstrahl z nahe liegen), werden durch das dielektrische Pinhole nicht abgelenkt. Weitere außenliegende Strahlanteile (Strahlen des Strahlquerschnittes, deren Abstand zur Zentralachse z größer ist als der Abstand der erwünschten Strahlanteile; dies ist hier durch die beiden unerwünschten Strahlen 2c, 2d skizziert), werden durch die nachfolgend beschriebene Ablenkstrukturen des erfindungsgemäßen Pinholes bzw. der erfindungsgemäßen Ortsfrequenzfiltervorrichtung aus dem erwünschten Signalbereich 2a, 2b durch Ablenkung entfernt.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes refraktives, dielektrisches Pinhole bzw. eine entsprechende Ortsfrequenzfiltervorrichtung. Die Ortsfrequenzfiltervorrichtung weist einen transparenten Transmissionskörper 4 aus einem dielektrischen Material, hier Quarz glas, auf. Der Transmissionskörper 4 hat hier die Form eines sehr flachen Zylinders, dessen Höhe D (welche der Dicke des Transmissionskörpers in Strahlrichtung z entspricht) deutlich kleiner ist, als sein Durchmesser Δ (Ausdehnung des Transmissionskörpers 4 in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung z). In Strahlrichtung gesehen auf der strahlausfallsseitigen Seite des Transmissionskörpers 4 ist angrenzend an den Transmissionskörper 4 eine refraktive Ablenkstruktur in Form eines ringförmigen Primas 5 aus Quarzglas angeordnet. Der Querschnitt des Prismenrings 5 in einer Ebene in Hauptstrahlrichtung z und durch die Symmetrieachse des Ringprismas 5 (hier identisch mit der Zentralstrahlachse z) ist dreiecksförmig, so dass in der hier dargestellten Schnittansicht ein dreiecksförmiger Schnitt 5a durch den (in der Zeichenebene) obenliegenden Halbring des Primas und ein zweiter dreiecksförmiger Schnitt 5b durch den untenliegenden Halbring des Prismas dargestellt sind. Der Prismenring 5 ist somit rotationssymmetrisch um die Zentralstrahlachse z angeordnet und weist einen lichten Innendurchmesser d_p auf. Dieser lichte Innendurchmesser d_p ist der Durchmesser der Apertur bzw. des eigentlichen Pinholes 7. Der maximale Außendurchmesser des Prismenrings 5 in einer Ebene senkrecht zur Zentralstrahlrichtung z beträgt Δ/2. Der Prismenring 5 ist hier räumlich so ausgeformt, dass er im dargestellten Schnitt 5a, 5b die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist. Der Prismenring 5 ist so angrenzend an den Transmissionskörper 4 angeordnet, dass im dargestellten Schnitt einer der gleichseitigen Schenkel des Dreiecks die Grenze zum Transmissionskörper 4 bildet (erster Schenkel senkrecht zur Strahlrichtung z) und der andere Schenkel am außenseitigen Umfang des Prismas 5 senkrecht dazu steht (zweiter Schenkel in Strahlrichtung z). Die Basis des rechtwinkeligen Dreiecks (Hypotenuse) bildet dann einen Winkel α mit der Senkrechten auf der Zentralstrahlrichtung z bzw. mit dem ersten Schenkel. Diejenige Oberfläche A des ringförmigen Prismas, an der die unerwünschten Strahlanteile 2c, 2d dann gebrochen werden, ist somit unter dem Winkel α zur Strahlquerschnittsebene bzw. Ebene senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z angeordnet (Anstiegswinkel α des Prismas). Die Dicke des Prismenrings in Strahlrichtung nimmt mit zunehmendem Abstand von der Zentralachse z somit linear zu. Die maximale Ausdehnung der brechenden Struktur 5 bzw. des Prismas 5 in Zentralstrahlrichtung z im Abstand Δ/2 von der Achse z ist mit s_p bezeichnet.
Auf dem Transmissionskörper 4 ist somit ein Element angeordnet, welches eine Ablenkstruktur in Form eines Prismas 5 aufweist und eine Apertur 7 bzw. ein Pinhole 7 ausbildet. Dieses Pinhole 7 hat dann den Durchmesser d_p und die maximale Tiefe bzw. die maximale Dicke s_p. Diejenigen Strahlen des Gaußstrahlenbündels 2, welche in einem Abstand von kleiner als d_p/2 vom Zentralstrahl z senkrecht auf die einstrahlseitige Oberfläche des Transmissionskörpers 4 treffen, werden somit nach Durchlaufen des Transmissionskörpers 4 vom Prisma 5 nicht erfasst, sondern unabgelenkt durch den Transmissionskörper 4 transmittiert. Auch die nahe der Zentralachse z nicht senkrecht einfallenden Strahlen 2a, 2b werden nicht vom Prisma erfasst. Diejenigen einfallenden Strahlanteile 2c, 2d, die senkrecht und mit einem Abstand > d_p/2 vom Zentralstrahl z auf den Transmissionskörper 4 treffen, werden dagegen vom Prisma 5 erfasst und aufgrund des Anstiegswinkels α des Prismas 5 durch die ablenkende Fläche A des Prismas in Richtung von der Zentralstrahlrichtung z weg bzw. aus dem erwünschten Strahlenbündel abge lenkt. Gegenüber der maximalen Dicke s_p ist die wirksame Dicke s_w am refraktiven Pinhole durch die für den Strahl bzw. den jeweiligen Strahlanteil jeweils sichtbare Strecke gegeben. Unter sichtbarer Strecke wird hierbei diejenige optische Weglänge verstanden, die der Strahl bzw. der jeweilige Strahlanteil in Zentralstrahlrichtung z gesehen (also von der transmissionskörperzugewandten Seite des Prismas bis zur transmissionskörperabgewandten Seite des Prismas) innerhalb des Prismas 5 durchläuft. Von der Zentralstrahlachse z zur Außenseite des Prismas hin (in einer Ebene senkrecht zur Zentralstrahlrichtung z gesehen) nimmt die wirksame Dicke s_w somit zu: Für einen Strahlanteil am Außenrand des eigentlichen Pinholes 7 bzw. am Innenrand des ringförmigen Prismas 5 ist die wirksame Dicke der Prismenstruktur somit Null, während sie für einen Strahlanteil am äußeren Rand des ringförmigen Prismas der maximalen Dicke, also sp entspricht. Die maximale Tiefe sp des Prismas an dessen Außenseite ist hierbei vor allen Dingen durch die Herstellungstechnologie begrenzt. Beim gezeigten refraktiven Pinhole ist somit am Innenrand des Prismenrings 5 (also im Abstand von d_p/2 von der Zentralstrahlachse) eine wirksame Dicke von s_w = 0 erreichbar. Näherungsweise werden Strahlenanteile, welche in der Fokusebene (hier nicht dargestellt) außerhalb einer Kreisscheibe mit Radius d_p/2 um den Zentralstrahl z liegen, somit aus dem Gaußstrahl 2 herausgefiltert. Diese Strahlanteile entsprechen nun gerade den Intensitätsfluktuationen des gaußförmigen Strahlprofils mit hoher Frequenz bzw. dem hochfrequenten Rauschen, welches dem Gaußprofil überlagert ist. Das gezeigte Pinhole wirkt somit als Ortsfrequenzfilter, welches die dem Rauschen entsprechenden hohen Frequenzen ausfiltert und so eine höhere Störungsfreiheit des Laserstrahls sicherstellt, wie sie beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Holographie oder optischen Datenverarbeitung notwendig ist.
5 skizziert die Funktionsweise des in 4 dargestellten, refraktiven Pinholes im Detail. 5a zeigt eine Übersichtsskizze, bei der abweichend vom in 4 dargestellten Pinhole der Durchmesser des Transmissionskörpers 4 (senkrecht zur Strahlrichtung) größer ist als derjenige des Prismenrings 5. Bei der hier beispielhaft beschriebenen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen refraktiven Filtervorrichtung werden die folgenden Werte für die eingestrahlte gaußförmige Laserstrahlung vorausgesetzt: Wellenlänge λ = 632,8 nm, Divergenz θ = 11°, Fokusdurchmesser d_g = 2,1 μm und Rayleighlänge z₀= 5,3 μm. Das für den Prismenring 5 verwendete Quarzglas besitzt eine Brechungszahl von n₁= 1,457. Generell ist es vorteilhaft für den Prismenring hochbrechende Materialien einzusetzen, da diese den Vorteil bieten, dass die Strukturen im allgemeinen flacher sind und damit leichter herzustellen sind bzw. für die Anwendung (Filterung von Divergenzen) vorteilhaft sind. Die Eigenschaften des eingesetzten, dielektrischen Materials bestimmen die Zerstörungsschwelle des Pinholes. Somit können, wenn es die Anwendung zulässt, auch andere Materialien als Quarzglas eingesetzt werden (z.B. Kunststoff oder andere Gläser). Dies gilt ebenso für die bei dem nachfolgend beschriebenen diffraktiven Pinhole eingesetzten Materalien. Die beschriebenen Beispielwerte für den eingestrahlten Gaußstrahl gelten ebenso für das nachfolgend dargestellte Beispiel für ein erfindungsgemäßes diffraktives Pinhole. Der Transmissionskörper 4 ist ebenfalls aus diesem Quarzglas hergestellt. Der Anstiegswinkel α des Prismas bzw. die Neigung der Brechungsfläche A in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z be trägt hier α = 33°. Dieser Anstiegswinkel α des Prismas wird durch die Richtung der Beleuchtung und den gewünschten bzw. den notwendigen (siehe später) Ablenkwinkel θ_p bestimmt. Der Winkel θ_p ist derjenige Winkel, unter dem ein in Richtung der Zentralstrahlrichtung z auf die Brechungsfläche A einfallender Strahl von der Zentralstrahlrichtung z abgelenkt wird. Der Lichteinfall ist hierbei so zu wählen, dass der Gaußstrahl bzw. dessen Zentralstrahl senkrecht zur Pinholeebene bzw. zur Plattenebene des Transmissionskörpers einfällt.
Im vorliegenden Fall beträgt der Anstiegswinkel α = 33°, so dass sich anhand der aus dem Brechungsgesetz hergeleiteten Beziehung θp = arcsin(n1·sin(α)) – αein Ablenkwinkel von θ_p= 28° ergibt. α = 33° wurde gewählt, damit sich ein Ablenkwinkel θ_p ergibt, der mehr als doppelt so groß ist wie die Signalbereichsdivergenz von θ = 11°.
Die Parameter des dargestellten refraktiven Pinholes, dies sind die wirksame Dicke s_w, der Pinholedurchmesser d_p und der Ablenkwinkel θ_p, werden hier wie folgt gewählt (dies gilt ebenfalls für das nachfolgend dargestellte erfindungsgemäße diffraktive, dielektrische Pinhole):

• Wirksame Dicke: s_w < 2z₀; dann erfolgt keine Beschneidung des Gaußstrahles 2 innerhalb der Rayleighlänge z₀.
• Durchmesser: d_p= 2,5d_g; dies stellt einen Kompromiss zwischen der Filterwirkung (bessere Filterwirkung bei kleinerem Pinholedurchmesser) und der Beschneidung des Gaußstrahls (höhere Beschneidung bei kleinerem Pinholedurchmesser) dar.
• Ablenkwinkel: θ_p > 2θ; ist der Ablenkwinkel mindestens doppelt so groß wie die Divergenz, so erfolgt eine vollständige Trennung von Stör- und Signalanteilen bei der weiteren Ausbreitung des Laserstrahls nach dem Pinhole.

Die Herstellung der refraktiven, dielektrischen Blende bzw. der entsprechenden Ortsfrequenzfiltervorrichtung erfolgt mittels analoger Grautonlithographie auf einem Quarzglassubstrat mit anschließendem Proportionaltransfer. 5a zeigt das Prinzip der Grautonlithographie (Figurenteile A bis C) mit anschließendem Proportionaltransfer (Figurenteile D bis H). Bei der Grautonlithographie wird in einem ersten Schritt A ein elektronenstrahlsensitives Glas 10a mit Hilfe eines Elektronenstrahls 11 eines Elektronenstrahlschreibers geschwärzt. Mit wachsender Elektronendosis steigt die Schwärzung im elektronenstrahlsensitiven Glas 10a an, so dass in diesem Glas eine Grautonmaske 10b erzeugt wird. Es folgt nun ein gewöhnlicher photolithographischer Schritt (Schritt B): Zunächst wird auf einem Substrat 13a eine Resist-Schicht 14a angeordnet. Auf dieser Resist-Schicht 14a wird das elektronenstrahlsensitive Glas 10a mit der Grautonmaske 10b angeordnet. Die Anordnung wird dann mit UV-Strahlen 12 bestrahlt. Die lokale Schwärzung der Grautonmaske 10b bestimmt bei diesem Verfahrensschritt dann die in den Resist 14a lokal eingebrachte UV-Dosis und damit wiederum die lokale Löslichkeitsrate des Resists 14a. Durch einen entsprechenden Entwicklungsschritt (Schritt C) wird die Löslichkeitsverteilung in der Resist-Schicht 14a in ein Höhenprofil 14b des Resists umgesetzt. Der Proportionaltransfer (Schritte D bis H) dient dann der Übertragung des hergestellten Resistprofils 14b in festeres Material, also in das Substrat, welches im vorliegenden Fall aus Quarzglas besteht. Hierbei erfolgt zunächst in einem ersten Schritt D die Härtung des Resistelements 14b mit UV-Strahlung 12. Anschließend erfolgt eine thermische Härtung des nunmehr UV-gehärteten Resistelements 14c durch Erhitzung des Substrats 13a samt des Elements 14c mittels einer Erhitzungsplatte 16 (Schritt E). Im folgenden (Schritte F bis H) wird mit Hilfe von reaktivem Ionenstrahlätzen (mit Hilfe von Ionenstrahlen 15, wobei durch Zusetzung von Ätzgasen zusätzlich ein chemischer Abtragungsprozess stattfindet) das nunmehr thermisch gehärtete Resistprofil 14d abgetragen und gleichzeitig proportional in das Quarzglas bzw. das Substrat 13 geätzt. Durch die Einstellung der Selektivität, d.h. des Verhältnisses zwischen Ätzrate des Resists 14 und des Quarzmaterials 13 kann eine Skalierung des Höhenprofils senkrecht zur Substratebene erreicht werden. Schritt F zeigt den Beginn der Ionenstrahlätzung. Im nachfolgenden Schritt G ist das Resistelement schon teilweise abgetragen (14e) und das Profil schon teilweise auf das Substrat übertragen (13b). Figurenabschnitt H zeigt das fertig geätzte Substrat 13c, auf das das ursprünglich im Resistelement 14 vorhandene Höhenprofil vollständig übertragen wurde.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes diffraktives Pinhole. Dieses weist einen Transmissionskörper 4 auf, der ebenso ausgebildet ist wie der Transmissionskörper der vorstehend beschriebenen refraktiven Ortsfrequenzfiltervorrichtung. Auf der Strahlausfallsseite ist angrenzend an den Transmissionskörper 4 eine Gitterstruktur 6 angeordnet. Die Gitterstruktur 6 ist als ringförmiges, binäres Gitter ausgestaltet: Die einzelnen kreisförmigen Gitterstege 6a, 6b, ... (siehe 7, welche einen Teilausschnitt senkrecht zur Gitterebene und durch das Symmetriezentrum bzw. Kreiszentrum des Gitters zeigt) sind dabei auf konzentrischen Kreisen um die Zylinderzentralachse des Transmissionskörpers 4 (die hier der Zentralstrahlrichtung z des eingestrahlten Gaußstrahls 2 entspricht) angeordnet. Der Durchmesser der einzelnen kreisförmigen Gitterstege nimmt hierbei jeweils um einen konstanten Faktor (doppelte Periode des Gitters) zu. Die Gitterstege 6 sind jedoch nicht über den gesamten Radius des Transmissionskörpers 4 auf diesem angeordnet, sondern erst ab einer radialen Entfernung von d_p/2 von der Zylinderachse bzw. Zentralstrahlachse z, so dass eine lichte Innenweite bzw. eine Apertur 7 mit dem Durchmesser d_p ausgebildet wird. Transmissionskörper 4 und Gitterstege 6 bestehen hier aus Quarzglas mit einer Brechungszahl von n = 1,457 bei der Wellenlänge λ = 632,8 nm. Die Tiefe der Gitterstege (Dicke der diffraktiven Ablenkstruktur 6) ist mit s_p gekennzeichnet. Die Dicke des Transmissionskörpers in Strahlrichtung ist mit D gekennzeichnet (hier: D = 1,5 mm). Die Gitterstruktur 6 kann alternativ zu ihrer Anordnung auf dem Transmissionskörper 4 jedoch auch durch Einätzen in den Transmissionskörper 4 integriert werden.
In Radialrichtung gesehen sind die Gitterstege 6 erst ab einer Entfernung von d_p/2 von der Zylinderzentralachse des Körpers 4 angeordnet. Strahlanteile des Gaußstrahls 2, welche innerhalb eines solchen Radialabstandes vom Zentralstrahl z auf den Transmissionskörper 4 treffen (so z.B. die Strahlen 2a, 2b), werden daher von der diffraktiven Ablenkstruktur 6 nicht erfasst. Randstrahlen bzw. außenliegende Strahlen des Gaußstrahls, welche in einer Entfernung von größer als d_p/2 auf den Transmissionskörper treffen, werden jedoch nach Durchlaufen des Transmissionskörpers von der Gitterstruktur 6 erfasst und einer Beugung unterworfen. In der Skizze sind hierbei für einen solchen Randstrahl die nullte, die erste und die zweite Beugungsordnung eingezeichnet (0., 1. und 2.).
7 skizziert die Beugungsverhältnisse an der Gitterstruktur 6 genauer. Gezeichnet sind einzelne Gitterstege 6a, 6b, .... Diese sind wie beschrieben ebenso wie der hier nicht gezeigte Transmissionskörper 4 aus Quarzglas mit einem Brechungsindex n = 1,457 ausgebildet. In Richtung senkrecht zur Einstrahlrichtung E weisen die einzelnen Gitterstege 6a, 6b eine Ausdehnung auf, die mit S_Steg gekennzeichnet ist. Der Abstand der einzelnen Gitterstege voneinander in Radialrichtung bzw. senkrecht zur Einstrahlrichtung E ist mit p (Periode des Gitters) gekennzeichnet. Die Tiefe bzw. die Dicke der Gitterstege (diese ist hier konstant und daher gleich der maximalen Dicke der Ablenkstruktur) in Einstrahlrichtung E ist mit s_p gekennzeichnet. Hier entspricht also die für den Strahl sichtbare bzw. die wirksame Dicke s_w der Dicke s_p der Gitterstege. Die Gitterstruktur bzw. das ringförmige binäre Gitter 6 wird nun so ausgebildet, dass alle Beugungsordnungen außer der nullten Beugungsordnung aus dem Bereich des Gaußstrahls 2 hinausgebeugt werden: Der Ablenkwinkel θ_p ist hierbei als derjenige Winkel definiert, unter dem die erste Beugungsordnung von der ursprünglichen Einstrahlrichtung E (parallel zur Zentralstrahlrichtung z) weggelenkt wird. Das Gitter wird dabei vorteilhafterweise so ausgebildet, dass dieser Ablenkwinkel θ_p > 2θ ist. Dies geschieht durch eine geeignete Wahl der Periode p des Gitters. Im vorliegenden Fall wird eine Periode p = 1,06 μm gewählt. Hiermit ergibt sich ein Ablenkwinkel von θ_p = 30° (Gaußstrahlparameter wie vorstehend beschrieben). Die nullte Beugungsordnung wird durch eine Op timierung der Gitterparameter Füllfaktor f und Tiefe s_p der Gitterstege unterdrückt. Der Füllfaktor ist hierbei definiert als f = s_Steg/p. Im vorliegenden Fall ergibt sich eine Unterdrückung der nullten Ordnung auf 1,1 %, wobei die Stegbreite s_Steg so gewählt ist, dass sich f = 0,4 ergibt und wobei die Steghöhe s_p = 0,66 μm beträgt. Die Unterdrückung wird hierbei durch den Brechungsindex n des Materials der Gitterstruktur 6 beeinflusst, d.h. die optimale Wahl von f und s_p hängt von n ab. Die Unterdrückung bezeichnet hierbei den Anteil des Lichts, der in der nullten Beugungsordnung verbleibt, gemessen am Licht, welches ohne Gitterstruktur durch das Substrat bzw. den Transmissionskörper hindurchtreten würde. Die Optimierung bzw. die entsprechende Optimierungsrechnung geschieht mit Hilfe der Fourier-Modal-Methode. 7a zeigt das Ergebnis der Optimierungsrechnung für die Unterdrückung U der nullten Beugungsordnung für die vorstehenden Parameter. Die Optimierungsrechnung kann auch mit anderen rigorosen Methoden als der Fourier-Modal-Methode durchgeführt werden.
7b skizziert die Herleitung der grundlegenden Bedingung für den Ablenkwinkel θ_p in Abhängigkeit von der Divergenz θ. Dies ist anhand des Beispiels des diffraktiven Pinholes 4, 6, 7 skizziert. 7b-B zeigt ein solches Pinhole. 7b-A zeigt eine entsprechende Struktur 4, 6, jedoch ohne zentrale Pinholeöffnung 7. Das Bezugszeichen 2e kennzeichnet den auf die Struktur eingestrahlten, mit Störungen behafteten Gaußstrahl. Typischerweise ist nur dieser Gaußstrahl selbst moduliert mit den zu entfernenden Störungen, außerhalb gibt es keine Intensität. Wird daher wie in Figurenteil A (Struktur ohne Pinhole) gezeigt der komplette Strahl um den Ablenkwinkel θ_p abgelenkt, so füllt er auch dort nur denjenigen Raumbe reich, der durch seine Divergenz θ gegeben ist, aus: Der abgelenkte Strahl 2f (gezeigt ist die Ablenkung erster Ordnung) ist nach wie vor mit den Störungen behaftet. Werden nun durch eine diffraktive Pinholestruktur 4, 6, 7 Signal und Störungen durch das Pinhole in der Mitte separiert, bleibt der räumliche Bereich θ, der durch die unter dem Winkel θ_p (erste Beugungsordnung) abgelenkten Störungen 2h ausgefüllt wird, derselbe. Aus diesem Grund muss die Ablenkung θ_P mindestens zweimal so groß sein wie die Divergenz θ des Laserstrahls (bzw. der Störungen 2h), um eine vollständige Trennung des Signals 2g von den Störungen 2h zu gewährleisten. Daraus folgt somit die Bedingung θ_p ≥ 2θ.
Die Herstellung der beschriebenen diffraktiven Ortsfrequenzfiltervorrichtung, insbesondere die Herstellung der Ablenkstruktur 6 in Form des binären Gitters erfolgt mittels (binärer) Elektronenstrahllithographie und Ionenstrahlätzen. Als Substrat dient auch hier ein 1,5 mm dickes Quarzglas 4.
8 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des diffraktiven dielektrischen Pinholes aus den 6 und 7. 8a zeigt einen Übersichtsblick auf die Gitterebene (Ebene senkrecht zur Einstrahlrichtung). Gut zu erkennen ist im Zentrum die Apertur 7 mit dem Durchmesser d_p. 8b zeigt einen Ausschnitt im Bereich der Apertur 7. Hier sind deutlich die einzelnen Gitterstege 6a, 6b, 6c sowie ein Abschnitt der zentralen Apertur 7 zu sehen.
9 zeigt die Filterwirkung der beschriebenen erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes im Vergleich. 9a (linke Spalte) bezieht sich hierbei auf einen ungefilterten Gaußstrahl. 9b (mittlere Spalte) stellt dem die Filterwirkung des beschriebenen diffraktiven Pinholes gegenüber. 9c (rechte Spalte) beschreibt die Filterwirkung des beschriebenen refraktiven Pinholes. Hierbei ist jeweils in der oberen Zeile ein gemessenes Intensitätsprofil bzw. Strahlquerschnittsprofil in der Fokusebene dargestellt. Die zweite Zeile zeigt eine 3D-Darstellung (vertikale Achse: Intensität relativ zur Maximalintensität) des gemessenen Profils. Die dritte Zeile zeigt einen Schnitt durch das gemessene Intensitätsprofil auf Höhe der Achse x-x. Die vierte Zeile zeigt jeweils die Differenz des in der dritten Zeile dargestellten Schnittprofils zu einer angefitteten Gaußfunktion (Abweichung der Intensität von der idealen Gaußverteilung). Wie der Vergleich der vierten Zeile deutlich zeigt, werden durch die erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes dem idealen Gaußprofil überlagerte hochfrequente Rauschanteile des realen Messstrahls sehr gut herausgefiltert, so dass sich (9b und 9c) ein nahezu ideales Gaußprofil für die gefilterte Intensitätsverteilung ergibt.

Claims

Ortsfrequenzfiltervorrichtung zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung mit einem für die Laserstrahlung (2) zumindest teilweise transparenten bzw. durchstrahlbaren Transmissionskörper (4) und einem an dem Transmissionskörper (4) angrenzend angeordneten oder in den Transmissionskörper (4) integrierten, pinhole-bildenden bzw. eine Apertur (7) aufweisenden Element, wobei das Element eine diffraktive und/oder eine refraktive Ablenkstruktur (5, 6) aufweist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die diffraktive Ablenkstruktur (6) die nullte Beugungsordnung unterdrückbar ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdrückung durch die räumliche Form der diffraktiven Ablenkstruktur (6) realisiert ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eingestrahlte Laserstrahlung (2) durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise aus der Einstrahlrichtung ablenkbar ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstruktur (5, 6) räumlich so ausgebildet ist und so angeordnet ist, dass für durch den Transmissionskörper (4) transmittierte Laserstrahlung mit endlichem Strahlquerschnitt ein zentraler Anteil der Laserstrahlung bzw. ein im Strahlquerschnitt gesehen um den Zentralstrahl im wesentlichen zentrierter, innenliegender Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkvorrichtung in der Strahlrichtung nicht beeinflussbar ist bzw. durch das Pinhole (7) durchstrahlbar ist und dass der dem zentralen Anteil komplementäre bzw. außenliegende Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise in der Strahlrichtung beeinflussbar und in Richtung vom Zentralstrahl weg ablenkbar ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstruktur um eine Achse in Strahlrichtung (Symmetrieachse) radialsymmetrisch ausgebildet ist bzw. in Bezug auf die Symmetrieachse konzentrisch angeordnet ist und als Ringstruktur mit einem lichten Innendurchmesser und einem Außendurchmesser ausgebildet ist bzw. ringförmig um die Symmetrieachse angeordnet ist, wobei die Ablenkstruktur räumlich so ausgebildet ist, dass bei Einstrahlung von Laserlicht in Richtung der und symmetrisch um die Symmetrieachse ein unter einem Symmetrieachsenabstand, welcher kleiner als der halbe Innendurchmesser (Innenradius) ist, eingestrahlter und durch den Transmissionskörper transmittierter Laserstrahlenanteil durch die Ablenkstruktur nicht erfassbar bzw. nicht in seiner Richtung ablenkbar ist und dass ein unter einem Symmetrieachsenabstand, welcher größer gleich dem Innenradius und kleiner gleich dem halben Außendurchmesser (Außenradius) ist, eingestrahlter und durch den Transmissionskörper transmittierter Laserstrahlenanteil von der Ablenkstruktur erfassbar und zumindest teilweise in Richtung von der Symmetrieachse weg ablenkbar ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transmissionskörper und/oder die Ablenkstruktur ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex von bevorzugt größer 1,4 ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum, Glas, insbesondere Quarzglas, oder Kunststoff enthält oder daraus besteht.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transmissionskörper eine ebene, flache Platte aufweist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transmissionskörper und die Ablenkstruktur einstückig ausgebildet sind.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dicke s_p der Ablenkstruktur in Strahlrichtung (maximale Tiefe der Ablenkstruktur) über 50 nm und/oder unter 500 μm, insbesondere über 100 nm und/oder unter 100 μm, insbesondere über 200 nm und/oder unter 20 μm, insbesondere über 500 nm und/oder unter 2 μm beträgt.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Dicke s_w der Ablenkstruktur kleiner ist als das 5-fache, bevorzugt kleiner ist als das 3-fache, bevorzugt kleiner ist als das 2.5-fache, bevorzugt kleiner ist als das 2-fache, bevorzugt kleiner ist als das 1.5-fache, bevorzugt kleiner ist als das 1-fache der Rayleighlänge z₀ der verwendeten Laserstrahlung.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Ablenkstruktur größer als das 1-fache und/oder kleiner als das 5-fache, bevorzugt größer als das 2-fache und/oder kleiner als das 3-fache des Fokusdurchmessers d_g der Laserstrahlung ist, wobei der Innendurchmesser besonders bevorzugt das 2.5-fache des Fokusdurchmessers beträgt.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Ablenkstruktur ein Prisma, insbesondere ein ringförmiges Prisma, aufweist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch und nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein ringförmig um die Symmetrieachse angeordnetes Prisma, welches in einer parallel zur Symmetrieachse und durch die Symmetrieachse verlaufenden Schnittebene gesehen dreieckförmig ist, wobei lediglich eine Spitze des Dreiecks innenliegend bzw. auf einem Kreis um die Symmetrieachse mit einem Radius entsprechend dem Innenra dius (Innenkreis) angeordnet ist und wobei die Tiefe des Prismas in Strahlrichtung mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse ausgehend vom Innenkreis bzw. Innenradius bis zum Außenradius über zumindest einen Teilbereich der Ringstruktur zunimmt.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Ablenkstruktur ein Gitter, insbesondere ein ringförmiges Gitter bzw. ein Gitter, dessen Gitterlinien bzw. Gitterstege auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind, aufweist, wobei das Gitter bevorzugt ein Binärgitter ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis f = s_steg/p (Füllfaktor) von mittlerer Breite s_steg eines Gitterstegs und Periode p des Gitters, wobei die Periode p der mittlere Abstand zweier Gitterstege bzw. zweier benachbarter Gitterstrukturen ist, und die Gitterstegtiefe s_p bzw. die Ausdehnung der Gitterstege senkrecht zur Gitterebene bzw. in Durchstrahlrichtung so gewählt sind, dass die nullte Beugungsordnung auf unter 10%, bevorzugt unter 5%, bevorzugt unter 2% bevorzugt unter 1%, bevorzugt unter 0.5% der Leistung, die ohne die Ablenkstruktur durch den Transmissionskörper hindurchtreten würde, unterdrückbar ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstruktur so ausgebildet ist, dass der außenliegende Anteil bzw. der nicht durch das Pinhole Bestrahlte Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise in der Strahlrichtung beeinflussbar und vom Zentralstrahl weg um einen Ablenkwinkel θ_p ablenkbar ist, der um mindestens das 1.8-fache, bevorzugt um mindestens das 2-fache, bevorzugt um mindestens das 2.5-fache, bevorzugt um mindestens das 3-fache größer ist als die Divergenz θ der Laserstrahlung.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode p des Gitters so gewählt ist, dass der Ablenkwinkel θ_p der Ablenkwinkel der ersten Beugungsordnung ist.
Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach Anspruch 19 und nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkwinkel θ_p durch geeignete Wahl des Anstiegswinkels α des Prismas bzw. des Winkels, um den die Tiefe des Prismas mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse ausgehend vom Innenkreis bzw. Innenradius bis zum Außenradius über zumindest einen Teilbereich der Ringstruktur zunimmt, realisiert ist.
Verfahren zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung wobei ein für die Laserstrahlung zumindest teilweise transparenter Transmissionskörper mit Laserstrahlung durchstrahlt wird, und wobei die Laserstrahlung anschließend teilweise aus der Einstrahlrichtung abgelenkt wird mit Hilfe einer diffraktiven und/oder einer refraktiven Ablenkstruktur eines an dem Transmissionskörper angrenzend angeordneten oder in den Transmissionskörper integrierten, pinholebildenden bzw. eine Apertur aufweisenden Elements.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die diffraktive Ablenkstruktur die nullte Beugungsordnung unterdrückt wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstruktur räumlich so ausgebildet wird und so angeordnet wird, dass für die durch den Transmissionskörper transmittierte Laserstrahlung mit ihrem endlichen Strahlquerschnitt ein zentraler Anteil der Laserstrahlung bzw. ein im Strahlquerschnitt gesehen um den Zentralstrahl im wesentlichen zentrierter, innenliegender Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkvorrichtung in der Strahlrichtung nicht beeinflusst wird und dass der dem zentralen Anteil komplementäre bzw. außenliegende Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise in der Strahlrichtung beeinflusst und in Richtung vom Zentralstrahl weg abgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Transmissionskörper eine ebene, flache Platte mit der Plattenebene senkrecht zur Strahlrichtung angeordnet wird.
Verfahren nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als refraktive Ablenkstruktur ein ringförmiges Prisma eingesetzt wird und/oder dass als diffraktive Ablenkstruktur ein ringförmiges, bevorzugt binäres Gitter eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abgelenkte Teil der Laserstrahlung vom Zentralstrahl weg um einen Ablenkwinkel θ_p abgelenkt wird, der um mindestens das 1.8-fache, bevorzugt um mindestens das 2-fache, bevorzugt um mindestens das 2.5-fache, bevorzugt um mindestens das 3-fache größer ist als die Divergenz θ der eingestrahlten Laserstrahlung.