DE102005017014A1

DE102005017014A1 - Verfahren zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls und Beleuchtungseinrichtung mit einem Laser

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Publication number: DE102005017014A1
Application number: DE102005017014A
Authority: DE
Inventors: Matthias Burkhardt; Lars Dr. Erdmann; Manfred Dr. Dick; Georg Dr. Sluyterman Van Langeweyde; Reinhard Steiner; Robert Dr. Brunner
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG; Jenoptik AG
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: DE102005017014B4

Abstract

Eine Beleuchtungseinrichtung umfaßt einen Laser (1) zur Abgabe eines Ausgangslaserstrahls (2), einem strahlformenden Element (3) zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls (4) aus dem von dem Laser (1) abgegebenen Ausgangslaserstrahl (2) und einer Detektionseinrichtung (8), die relativ zu dem strahlformenden Element (3) so angeordnet ist, daß mit der Detektionseinrichtung (8) bei der Formung des Beleuchtungslaserstrahls (4) auftretende Anteile (5) des Ausgangslaserstrahls (2) detektierbar sind, die sich in eine andere Richtung ausbreiten als der Beleuchtungsstrahl (4).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls aus einem Ausgangslaserstrahl und zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder eines daraus gebildeten Strahls sowie eine entsprechende Beleuchtungseinrichtung mit einem Laser.

Laser werden häufig zur Bearbeitung von Oberflächen von Körpern, insbesondere Werkstücken eingesetzt. Je nach Art der Oberflächenbearbeitung und des dazu verwendeten Lasers kann ein kontinuierlicher oder gepulster Beleuchtungslaserstrahl verwendet werden. Um eine gutes Ergebnis bei der Oberflächenbearbeitung zu erzielen, soll der Beleuchtungslaserstrahl geeignete, vorgegebene Eigenschaften wenigstens im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche aufweisen. Zu diesen Eigenschaften gehört beispielsweise das Strahlprofil, d. h. bei einem kontinuierlichen Beleuchtungslaserstrahl die Intensitätsverteilung quer zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslaserstrahls und bei einem gepulsten Beleuchtungslaserstrahl die Energie- bzw. Fluenceverteilung in einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslaserstrahls, die Intensität oder Leistung bei einem kontinuierlichen Beleuchtungslaserstrahl bzw. die Pulsenergie oder Fluence und die Pulsfrequenz bei einem gepulsten Beleuchtungslaserstrahl sowie die zeitlichen Schwankungen dieser Größen. Unter Fluence wird dabei die Energie der Strahlung bezogen auf eine Fläche quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung verstanden.

Typischerweise eignet sich ein von einem Laser abgegebener Ausgangslaserstrahl nicht unmittelbar zur Oberflächenbearbeitung, sondern muß zur Erzielung der gewünschten Strahleigenschaften verändert werden. Zur Erzielung eines geeigneten Strahlprofils kann beispielsweise eine strahlformende Einrichtung verwendet werden, die ein gegebenes Profil eines Ausgangslaserstrahls, zum Beispiel ein Gauß-Profil, in ein gewünschtes Strahlprofil des Beleuchtungslaserstrahls umformt. Sollen durch Kohärenz und darauf beruhende Interferenzerscheinungen oder andere Gegebenheiten bedingte, unerwünschte Unregelmäßigkeiten vermieden werden, kann eine strahlformende Einrichtung verwendet werden, die eine homogenisierende Wirkung hat, d.h. das Strahlprofil wenigstens an der zu bearbeitenden Oberfläche glättet.

Zum einen zur Erhöhung der Intensität bzw. Fluence eines kontinuierlichen bzw. gepulsten Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Oberfläche und zum anderen zur Erzielung einer gewünschten, für die Oberflächenbearbeitung geeigneten Größe des von dem Beleuchtungslaserstrahl auf der Oberfläche erzeugten Strahlungsflecks kann weiterhin eine Fokussierung mittels geeigneter optischer Elemente wie beispielsweise Linsen erfolgen.

Sollen die Eigenschaften des Ausgang- oder Beleuchtungslaserstrahls überwacht werden, ist es darüber hinaus notwendig, hierzu entsprechende Einrichtungen, beispielsweise einen Strahlteiler, in dem Beleuchtungsstrahlengang anzuordnen. Eine Überwachung von Eigenschaften des Ausgang- oder Beleuchtungslaserstrahls empfiehlt sich insbesondere bei Verwendung von Lasern, deren Leistung sich, beispielsweise bedingt durch Alterung des Lasermediums, im Laufe des Gebrauchs ändert.

Das bedeutet, daß zwischen dem den Ausgangslaserstrahl abgebenden Laser und der zu bearbeitenden Oberfläche eine Reihe von optischen Elementen angeordnet ist, was mehrere Nachteile nach sich zieht. Zum einen führt dies zu einem erhöhten konstruktiven Aufwand und einer aufwendigen Montage. Beispielsweise müssen mehrere optische Elemente der strahlformenden Optik in entsprechenden Haltern angeordnet und zentriert werden. Darüber hinaus führt jede zusätzliche Grenzfläche in der strahlformenden Optik zu zusätzlichen Transmissions- oder Reflexionsverlusten. Bei Verwendung von UV-Laserstrahlung führt diese bei üblichen Schichtsystemen für Strahlteiler bei längerem Gebrauch zu einer Degradation der Schichtsysteme, so daß die Lebensdauer der strahlformenden Optik eingeschränkt ist.

In US 6,529,678 B2 ist zur Erzeugung eines Beleuchtungslaserstrahls aus einem von einem Laser abgegebenen Ausgangslaserstrahl ein monolithisches Element beschrieben, das über einen Substratkörper und wenigstens eine in einen ersten Teil des optischen Elements integrierte makrooptische Charakteristik verfügt. Mehrere Oberflächenstrukturen sind in einem Teil des optischen Elements integriert. Die Mikrostrukturen sind dazu ausgelegt, durch das optische Element hindurchtretendes Licht zu homogenisieren, um ein vorbestimmtes Muster von sich glatt änderndem, stetigem, aus dem optischen Element austretendem Licht zu erzeugen. Das das optische Element verlassende Licht ist daher sowohl gemäß der makrooptischen Charakteristik des Elements als auch der homogenisierenden Charakteristik der Mikrostrukturen geändert.

Wird ein solches Element in Verbindung mit einem Laser zur Erzeugung eines Beleuchtungslaserstrahls verwendet, muß zur Überwachung der Strahleigenschaften immer noch ein Strahlteiler eingesetzt werden, was die oben beschriebenen Nachteile mit sich bringt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Beleuchtungseinrichtung mit einem Laser bereitzustellen, mittels derer ein Beleuchtungslaserstrahl gewünschter Strahlform verlustarm erzeugbar und wenigstens eine Eigenschaft des Beleuchtungslaserstrahls ermittelbar ist. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls aus einem Ausgangslaserstrahl und zur Ermittlung einer Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder eines aus diesem gebildeten Strahls bereitzustellen, bei dem nur geringe Verluste auftreten.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls aus einem Ausgangslaserstrahl und zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder eines aus diesem gebildeten Strahls, bei dem der Beleuchtungslaserstrahl aus dem Ausgangslaserstrahl geformt und wenigstens eine Eigenschaft eines bei der Strahlformung neben dem Beleuchtungslaserstrahl auftretenden Strahlanteils erfaßt wird, die die Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder des aus diesem gebildeten Strahls wiedergibt.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Laser zur Abgabe eines Ausgangslaserstrahls, einem strahlformenden Element zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls aus dem von dem Laser abgegebenen Ausgangslaserstrahl, und einer Detektionseinrichtung, die relativ zu dem strahlformenden Element so angeordnet ist, daß mit der Detektionseinrichtung bei der Formung des Beleuchtungslaserstrahls auftretende Anteile des Ausgangslaserstrahls detektierbar sind, die sich in einer anderen Richtung ausbreiten als der Beleuchtungslaserstrahl. Diese Beleuchtungseinrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von einem Ausgangslaserstrahl, bei dem es sich grundsätzlich um einen kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahl handeln kann. Darüber hinaus kann dieser beliebige vorgegebene Eigenschaften, insbesondere ein beliebiges, entsprechend der Anwendung gewähltes Strahlprofil, besitzen. Zur Bereitstellung eines solchen Ausgangslaserstrahls verfügt die Beleuchtungseinrichtung über den Laser. Als Laser können beliebige Laser gewählt werden, die optische Strahlung wenigstens einer gewünschten Wellenlänge abgeben, insbesondere Single-Mode-Laser oder Multi-Mode-Laser. Gegebenenfalls können zwischen dem Laser und dem strahlformenden Element den Ausgangslaserstrahl beeinflussende optische Elemente wie beispielsweise Filter, Spiegel oder ähnliche Komponenten angeordnet sein.

Aus dem Ausgangslaserstrahl wird ein Beleuchtungslaserstrahl mit wenigstens einer gewünschten Eigenschaft geformt. Unter der Formung des Beleuchtungslaserstrahls aus dem Ausgangslaserstrahl bzw. der Strahlformung wird dabei die Veränderung wenigstens einer der Eigenschaften des Ausgangslaserstrahls im Strahlengang vor dem strahlformenden Element zur Erzielung der gewünschten Eigenschaft bzw. Eigenschaften des Beleuchtungslaserstrahls verstanden. Diese Veränderungen können die Form des Strahlprofils und/oder die Ausdehnung des Ausgangslaserstrahls in einer Richtung quer zu seiner Ausbreitungsrichtung und/oder die Änderung des vorgegebenen Divergenzwinkels bzw. der vorgegebenen Winkelverteilung des Ausgangslaserstrahls betreffen. Je nach Art des verwendeten strahlformenden Elements braucht der Beleuchtungslaserstrahl gegebenenfalls erst in einer vorgegebenen Entfernung von dem strahlformenden Element durch mehrere aus dem Ausgangslaserstrahl gebildete Teilstrahlen gebildet zu werden. Die gewünschte Eigenschaft bzw. die gewünschten Eigenschaften des Beleuchtungslaserstrahls, insbesondere ein gewünschtes Strahlprofil und/oder eine gewünschte Ausdehnung und/oder ein gewünschter Divergenzwinkel, unter dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein die Konvergenz eines Laserstrahls beschreibender Winkel verstanden wird, können in einer beliebigen vorgegebenen, vorzugsweise orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslaserstrahls verlaufenden Ebene, vorzugsweise im Fernfeld vorgegeben sein und brauchen auch erst in dieser Ebene erzielt zu werden.

Zur Strahlformung ist bei der Beleuchtungseinrichtung das strahlformende Element vorgesehen, das insbesondere bis auf mögliche Beschichtungen einstückig aufgebaut sein kann. Es ist dazu in Abhängigkeit von den vorgegebenen Eigenschaften des Ausgangslaserstrahls und den gewünschten Eigenschaften des Beleuchtungslaserstrahls ausgebildet. Vorzugsweise ist das strahlformende Element so ausgebildet, daß der Beleuchtungslaserstrahl mehr als 80% der Intensität bzw. Leistung oder der Pulsenergie des Ausgangslaserstrahls aufweist.

Zur Überwachung der Eigenschaften des Ausgangslaserstrahls oder eines aus dem Ausgangslaserstrahl gebildeten Strahls, beispielsweise des Beleuchtungslaserstrahls, wird erfindungsgemäß ein Anteil des Ausgangslaserstrahls verwendet, der bei der Strahlformung auftritt, aber nicht in Richtung des Beleuchtungslaserstrahls verläuft. Dieser Strahlanteil kann zum einen durch die häufig bei strahlformenden Elementen auftretende Verluststrahlung gegeben sein. Die Verluststrahlung kann beispielsweise durch Beugungseffekte, Reflexion oder Streuung an Inhomogenitäten des strahlformenden Elements verursacht sein. Zum anderen kann der Strahlanteil durch eine entsprechende beabsichtigte Gestaltung des strahlformenden Elements erzeugt werden. Von diesem Strahlanteil wird wenigstens eine Eigenschaft erfaßt, die die Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder des daraus gebildeten Strahls wiedergibt. Bei der Be leuchtungsvorrichtung ist hierzu die Detektionseinrichtung vorgesehen, die insbesondere über ein geeignetes Detektionselement verfügen kann.

Durch die Verwendung nur eines strahlformenden Elements zur gleichzeitigen Strahlformung und Erzeugung von Strahlungsanteilen, die zur Überwachung der Eigenschaften des Ausgangslaserstrahls oder eines daraus gebildeten Strahls dienen können, vereinfacht sich zum einen der Aufbau der Beleuchtungseinrichtung wesentlich, da diese über weniger optische Komponenten zu verfügen braucht. Zum anderen treten weniger Grenzflächen in dem optischen System auf, das den Beleuchtungslaserstrahl aus dem Ausgangslaserstrahl formt, so daß der Beleuchtungslaserstrahl unter geringeren Verlusten gebildet wird. Schließlich erübrigt sich die Verwendung eines Strahlteilers zur Abteilung von Überwachungsstrahlung aus dem Ausgangslaserstrahl, so daß insbesondere bei Verwendung von UV-Laserstrahlung eine Verkürzung der Lebensdauer der Beleuchtungseinrichtung durch Degradation einer für UV-Laserstrahlung empfindlichen Schicht eines Strahlteilers vermieden werden kann.

Grundsätzlich kann der Strahlanteil, der auf die Detektionseinrichtung fällt bzw. zur Ermittlung der Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder des aus diesem gebildeten Strahls dient, diffus gestreut sein. Es ist jedoch bevorzugt, daß das strahlformende Element strahlteilend wirkt und den Ausgangslaserstrahl in einen Überwachungslaserstrahl und den Beleuchtungslaserstrahl aufteilt. Überwachungslaserstrahl und Beleuchtungslaserstrahl verlaufen dann in verschiedenen Richtungen, wobei der Beleuchtungslaserstrahl und/oder der Überwachungslaserstrahl gegenüber dem Ausgangslaserstrahl abgelenkt sein kann. Der Überwachungslaserstrahl braucht dabei nicht unbedingt das gleiche Strahlprofil wie der Ausgangs- oder der Beleuchtungslaserstrahl aufzuweisen. Die Bildung eines Überwachungslaserstrahls hat den Vorteil, daß der Strahlanteil mit größerer Intensität auch auf ein kleines Detektionselement der Detektionseinrichtung gelenkt werden kann, so daß auch bei Verwendung von strahlformenden Elementen, die einen sehr hohen Anteil des Ausgangslaserstrahls zu dem Beleuchtungslaserstrahl umformen, noch hinreichende Intensität zur Detektion vorhanden ist. Je nach Ausbildung des strahlformenden Elements kann darüber hinaus gegebenenfalls noch die Strahlform des Ausgangslaserstrahls überwacht werden, wenn das strahlformende Element so ausgebildet ist, daß aus dem Strahlprofil des Überwachungslaserstrahls auf das des Ausgangslaserstrahls zurückgeschlossen werden kann.

Vorzugsweise wird nicht der Beleuchtungslaserstrahl relativ zu der Richtung des Ausgangslaserstrahls abgelenkt, sondern der Überwachungsstrahl. Dazu kann das strahlformende Element einen sich wenigstens über die zur Strahlformung benutzte Breite des strahlformenden Elements erstreckenden Abschnitt von der Form eines Prismas aufweisen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß eine Zentrierung des Lasers und nachfolgender optischer Einrichtungen einfacher möglich ist.

Zur Fokussierung des Beleuchtungslaserstrahls kann die Beleuchtungseinrichtung eine dem strahlformenden Element in dem Beleuchtungsstrahlengang nachgeordnete Fokussieroptik, beispielsweise in Form einer Linse oder eines Linsensystems oder eines entsprechenden Spiegels oder Spiegelsystems, aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, daß das strahlformende Element den Beleuchtungslaserstrahl fokussiert. Diese Ausbildung des strahlformenden Elements hat den Vorzug, daß sich die Fokussieroptik erübrigt, so daß der Montage- und Konstruktionsaufwand für die Beleuchtungseinrichtung reduziert wird und darüber hinaus durch die verringerte Anzahl von Grenzflächen im Beleuchtungsstrahlengang nur geringere Verluste auftreten.

Um unerwünschte Unstetigkeiten und Inhomogenitäten in dem Strahlprofil vermeiden zu können, ist es bevorzugt, daß das strahlformende Element den Beleuchtungslaserstrahl unter Homogenisierung aus dem Ausgangslaserstrahl bildet. Unter Homogenisierung wird dabei verstanden, daß ein glattes, stetiges Strahlprofil gebildet wird, bei dem es sich insbesondere um ein konstantes Kasten- bzw. Flat-Top-Profil handeln kann. Der Vorteil einer solchen Homogenisierung liegt darin, daß eine gleichmäßigere Beleuchtung erzielt werden kann. Wird der Beleuchtungslaserstrahl beispielsweise zur Ablation von Material von einer Oberfläche eines Körpers verwendet, kann dank der gleichmäßigen Beleuchtung bzw. des wenigstens näherungsweise glatt verlaufenden, einem gewünschten Strahlprofil wenigstens nahekommenden Strahlprofils eine definierte Ablation erfolgen.

Als zu ermittelnde Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder des aus diesem gebildeten Strahls kann grundsätzlich jede geeignete Eigenschaft eines Laserstrahls dienen. Insbesondere kann bei der Verwendung eines kontinuierlichen Laserstrahls dessen Intensität bzw. bei Verwendung eines gepulsten Laserstrahls die Fluence oder Energie der abgegebenen Pulse verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar, daß das Strahlprofil, d. h. dessen Form und/oder die Ausdehnung, überwacht werden. Die Eigenschaft des bei der Strahlformung gebildeten Strahlanteils ist dabei so gewählt, daß daraus die Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder des aus diesem gebildeten Strahls ermittelbar ist. Insbesondere kann es sich um die gleiche Eigenschaft handeln wie bei dem Ausgangslaserstrahl. Bei der Beleuchtungseinrichtung ist es dazu bevorzugt, daß die Detektionseinrichtung zur Ermittlung wenigstens einer Strahleigenschaft ausgebildet ist. Insbesondere kann die Detektionseinrichtung beispielsweise zur Erfassung der Intensität eines kontinuierlichen Laserstrahls oder der Energie von Pulsen wenigstens ein entsprechendes thermisches oder optoelektronisches Detektionselement und eine entsprechende Auswertungselektronik zur Ansteuerung des wenigstens einen Detektionselements oder Auswertung von Signalen des wenigstens einen Detektionselements umfassen. Die Überwa chung der Intensität bzw. Pulsenergie hat den Vorteil, daß zum einen keine hohen Anforderungen an das Strahlprofil des Überwachungslaserstrahls gestellt zu werden brauchen. Darüber hinaus kann sich diese für die Anwendung besonders zentrale Eigenschaft beispielsweise bei Excimer-Lasern durch Alterung des verwendeten Gases verändern, so daß einer solchen Überwachung besondere Bedeutung zukommen kann.

Die ermittelte Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder des daraus gebildeten Strahls und damit auch bei bekannter Wirkung des strahlformenden Elements des Beleuchtungslaserstrahls kann dazu benutzt werden, im Beleuchtungsstrahlengang dem strahlformenden Element nachfolgende Einrichtungen zu steuern. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Detektionseinrichtung mit einer Regeleinrichtung verbunden ist, die in Abhängigkeit von Detektionssignalen der Detektionseinrichtung die Leistung des Lasers regelt. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Regelung der Stärke eines von einem Laser abgegebenen Ausgangslaserstrahls oder eines daraus gebildeten Strahls, bei dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls aus einem Ausgangslaserstrahl und zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder eines daraus gebildeten Strahls als Eigenschaft die Stärke des von dem Laser abgegebenen Ausgangslaserstrahls oder eines daraus gebildeten Strahls ermittelt und die Leistung des Lasers in Abhängigkeit von einer Soll-Stärke des von dem Laser abgegebenen Ausgangslaserstrahls oder des daraus gebildeten Strahls und der erfaßten Stärke geregelt wird. Unter der Stärke des Laserstrahls wird dabei insbesondere im Fall eines kontinuierlichen Laserstrahls dessen Intensität oder das Produkt aus der Intensität und der Querschnittsfläche des Laserstrahls an einem vorgegebenen Querschnitt bzw. bei einem gepulsten Laserstrahl die Pulsenergie oder Fluence an einem vorgegebenen Ort des Strahlengangs verstanden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß je nach Vorgabe der Soll-Stärke ein Beleuchtungslaserstrahl bereitgestellt werden kann, der wenigstens in Bezug auf die überwachte Eigenschaft dem vorgegebenen Soll-Wert in wenigstens guter Näherung folgt.

Als strahlformende Elemente können grundsätzlich beliebige geeignete optische Elemente dienen. Gemäß einer Ausführungsform ist es bevorzugt, daß das strahlformende Element wenigstens eine zur Strahlformung diffraktiv wirkende Struktur umfaßt. Das strahlformende Element kann dabei so ausgebildet sein, daß es in Transmission oder in Reflexion eingesetzt werden kann. Die Verwendung von diffraktiv wirkenden Strukturen hat den Vorteil, daß diese eine sehr vielfältige Strahlformung in Bezug auf die Ablenkung zwischen dem Überwachungslaserstrahl und dem Beleuchtungslaserstrahl, dem Divergenzwinkel bzw. der Winkelverteilung und gegebenenfalls auch der Fokussierung des Beleuchtungslaserstrahls erlauben.

Alternativ oder zusätzlich kann das strahlformende Element wenigstens eine zur Strahlformung refraktiv wirkende Struktur aufweisen. Refraktiv wirkende Strukturen haben den Vorzug, daß sie bei Verwendung eines geeigneten Materials zumindest in einem schmalen Wellenlängenbereich eine, verglichen mit diffraktiven Strukturen, von der Wellenlänge unabhängigere Wirkung haben können und darüber hinaus unerwünschte Beugungsverluste besser vermieden werden können.

Als weitere Alternative, die in Verbindung mit wenigstens einer der beiden zuvor genannten Alternativen oder auch allein verwendet werden kann, weist das strahlformende Element eine reflektive geometrisch-optisch strahlformende Struktur auf. Die Gestaltung des strahlformenden Elements hat, insbesondere wenn nur reflektive Strukturen verwendet werden, den Vorteil, daß das strahlformende Element bei entsprechender Ausbildung der Reflexionsstruktur in beliebigen Bereichen des optischen Spektrums und insbesondere auch im Ultraviolett- oder Infrarotbereich anwendbar ist.

Das strahlformende Element kann insbesondere auch wenigstens zwei der oben genannten Strukturen oder eine Struktur mit wenigstens zwei der oben genannten Wirkungen aufweisen.

Wenigstens eine der oben genannten Strukturen kann auf wenigstens eine der im folgenden genannten Arten und Weisen ausgebildet sein.

Bei einer Ausführungsform weist das strahlformende Element wenigstens eine wenigstens teilweise strahlformende mikrostrukturierte Ober- und/oder Grenzfläche auf. Dabei wird unter einer Grenzfläche eine Fläche zwischen zwei festen oder einem festen und einem flüssigen Material verstanden, während eine Oberfläche ein Material gegenüber einem Gas bzw. Luft begrenzt. Solche Strukturen sind sehr einfach auch in großer Stückzahl durch mikrolithographische Verfahren oder Prägeverfahren herstellbar, was sich insbesondere bei einer Serienfertigung von Beleuchtungseinrichtungen als Vorteil erweisen kann. Zur Einstellung eines vorgegebenen Winkels zwischen den Überwachungslaserstrahl und dem Beleuchtungslaserstrahl ist es insbesondere bevorzugt, daß das strahlformende Element eine Blaze-Struktur aufweist. Die Verwendung einer Blaze-Struktur hat den Vorteil, daß ein Beleuchtungslaserstrahl mit sehr geringen Verlusten erhalten werden kann, wenn der Blazewinkel geeignet gewählt wird.

Insbesondere kann es zur Ausbildung refraktiv wirkender Strukturen bevorzugt sein, daß das strahlformende Element Mikrolinsen aufweist. Diese können insbesondere durch ein entsprechendes Oberflächenrelief ausgebildet sein. Um eine möglichst gut homogenisierende Wirkung zu erzielen, liegt dabei, insbesondere bei einer statistischen Anordnung von Mikrolinsen, der mittlere Abstand zwischen optischen Achsen benachbarter Mikrolinsen im Bereich zwischen etwa der halben räumlichen Kohärenzlänge und dem doppelten der räumlichen Kohärenzlänge der von dem Laser abgegebenen Laserstrahlung. Dies hat den Vorzug, daß eine gute Homogenisierung erreicht wird, wobei störende bzw. unerwünschte „Speckles" weitgehend vermieden werden können.

Alternativ ist es bevorzugt, daß das strahlformende Element zur Strahlformung ausgebildete Brechungsindexgradienten aufweist. Insbesondere können also beispielsweise GRIN-Linsen als refraktiv wirkende Strukturen verwendet werden. Solche Linsen sind insbesondere einfach durch entsprechende Belichtungsverfahren in geeigneten Substraten herstellbar.

Als weitere Option kann das strahlformende Element ein wenigstens teilweise strahlformendes Hologramm aufweisen. Bei dem Hologramm kann es sich grundsätzlich um ein Amplituden- und/oder Phasen-Hologramm handeln. Ein solches strahlformendes Element hat den Vorteil, daß Hologramme einfach herstellbar sind, indem ein Laserstrahl mit gewünschten Eigenschaften bzw. einer gewünschten Wellenfront mit einem Referenzstrahl zur Interterenz gebracht wird und das Interferenzmuster erfaßt wird, um das Hologramm zu erzeugen. Es ist jedoch auch möglich, solche Hologramme unter Verwendung entsprechende Simulationsprogramme zu erzeugen. Insbesondere können Phasen-Hologramme einfach durch mikrolithographische Verfahren hergestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Oberflächenstruktur einer Mikrolinsenanordnung eines strahlformenden Elements der Beleuchtungseinrichtung in 1,
3 eine Beleuchtungseinrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
4A und 4B schematische Schnittdarstellungen eines strahlformenden Elements der Beleuchtungseinrichtung in 3,
5 eine schematischen Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem reflektiven strahlformenden Element,
6 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus dem strahlformenden Element in 5,
7 einen Ausschnitt aus einer binären Belichtungsmaske zur Herstellung eines strahlformenden Elements,
8 eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung eines strahlformenden Elements mittels eines konvergenten Laserstrahls,
9 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Vorrichtung zur Herstellung eines strahlformenden Elements mit einem divergenten Laserstrahls,
10 eine Draufsicht auf ein strahlformendes Element für eine Beleuchtungseinrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
11 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem den Beleuchtungsstrahl nicht ablenkenden, strahlformenden Element, und
12 eine schmatische Darstellung eines strahlformenden Elements der Beleuchungseinrichtung in 11.
In 1 umfaßt eine Beleuchtungseinrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Excimerlaser 1 zur Abgabe eines Gaußschen Ausgangslaserstrahls 2, ein im Strahlengang des Ausgangslaserstrahls 2 angeordnetes strahlformendes Element 3, das den Ausgangslaserstrahl 2 in einen divergenten Beleuchtungslaserstrahl 4 und einen Überwachungslaserstrahl 5 aufteilt, eine im Strahlengang des Beleuchtungslaserstrahls 4 angeordnete Fokussieroptik 6 zur Fokussierung des Beleuchtungslaserstrahls 4 auf eine zu bearbeitende Oberfläche 7 eines in 1 nicht weiter gezeigten Körpers sowie eine im Strahlengang des Überwachungslaserstrahls 5 angeordnete Detektionseinrichtung 8 zur Detektion des Überwachungslaserstrahls 5, die als Detektionselement 9 eine Photodiode sowie eine mit dem Detektionselement 9 verbundene Auswerteschaltung 10 zur Ansteuerung des Detektionselements 9 und zur Auswertung von dem Detektionselement 9 abgegebener Signale und Bildung von Ausgangssignalen für eine Regeleinrichtung 11 zur Regelung der Leistung bzw. Pulsenergie des Lasers 1 umfaßt.
Das strahlformende Element 3 aus UV-transparentem Glas umfaßt als zur Strahlformung refraktiv wirkende Struktur eine mikrostrukturierte Oberfläche, aus der ein Ausschnitt in 2 in perspektivischer Darstellung gezeigt ist. Die Struktur weist statistisch verteilte Erhebungen 12 mit gleichen Krümmungen auf, die als statistisch angeordnete Mikrolinsen mit gleichen Brennweiten aufgefaßt werden können. Die Erhebungen 12 sind jeweils im wesentlichen rotationssymmetrisch um eine optische Achse der jeweiligen Erhebung, die gegenüber der Grundfläche des strahlformenden Elements 3 geneigt ist, wodurch eine Ablenkung des Beleuchtungslaserstrahls 4 gegenüber dem Ausgangslaserstrahl 2 erzielt wird.
Zur Herstellung des homogenisierenden strahlformenden Elements 3 kann ausgehend von den Eigenschaften des von dem als Multimodenlaser arbeitenden Extimerlasers 1 abgegebenen Ausgangslaserstrahls 2, hier unter anderem einer ebenen Wellenfront und vorgegebener räum licher Kohärenzeigenschaften, und von gewünschten Eigenschaften des Beleuchtungslaserstrahls 4 nach Passieren der Fokussieroptik 6 an der Oberfläche 7 unter Verwendung entsprechender Simulationsprogramme, beispielsweise einem geeigneten "ray tracing"-Programm, die Anordnung und Ausbildung der Erhebungen 12 bestimmt werden. Diese können so gewählt sein, daß bei Bestrahlung mit dem Ausgangslaserstrahl 2 eine Vielzahl virtueller oder reeller Punktstrahlungsquellen mit endlicher numerischer Apertur in der Brennebene der jeweiligen Erhebungen bzw. Einzellinsen der Struktur erzeugt wird, wobei die teils kohärenten und teils inkohärente Überlagerung der einzelnen Feldverteilungen der Strahlungsquellen im Fernfeld die gewünschte Intensitäts- bzw. Pulsenergie-Verteilung erzeugt. Die Oberflächenstruktur ist dann ausgehend von dem errechneten Oberflächenprofil mittels Grautonlithographie hergestellt.
Der mittlere Abstand der optischen Achsen benachbarter Erhebungen bzw. Mikrolinsen liegt zwischen der halben räumlichen Kohärenzlänge und dem zweifachen der räumlichen Kohärenzlänge des Ausgangslaserstrahls 2, im Beispiel etwa gleich der räumlichen Kohärenzlänge. Eine zu starke Reduktion der Abstände weit unter die halbe räumlichen Kohärenzlänge würde zu einer verstärkten Dominanz von kohärenten Überlagerungen der jeweils von einer Mikrolinse generierten Kugelwellen im Fernfeld führen, was mit einer Verstärkung der Granulation in der Verteilung, das heißt der Bildung von sogenannten „Speckles", einherginge. Damit würde eine Homogenisierung nicht erzielt. Zu grobe Strukturen, das heißt zu große mittlere Abstände, würden dagegen aufgrund der Ausleuchtung nur einer geringen Zahl von Einzellinsen und damit der Überlagerung nur weniger elementarer Verteilungen eine schlecht definierte Fernfeldverteilung erzeugen.
Das strahlformende Element 3 mit der in 2 gezeigten Struktur erzeugt bei Bestrahlung mit einer näherungsweise ebenen Welle ein Strahlenbündel mit einem Divergenzwinkel von ca. 2°. Gleichzeitig wirkt es strahlteilend und bildet aus dem Ausgangslaserstrahl 2 neben dem Beleuchtungslaserstrahl 4 den Überwachungslaserstrahl 5, wobei die Stärke des Beleuchtungslaserstrahls 4 mehr als 80% der Stärke des Ausgangslaserstrahls 2 beträgt. Der Überwachungslaserstrahl 5 wird durch Anteile des Ausgangslaserstrahls 2 gebildet, die in Bereichen zwischen Erhebungen 12 aus dem strahlformenden Element 3 austreten, gebeugt oder an Inhomogenitäten in dem Material des strahlformenden Elements 3 gestreut werden.
Die Fokussieroptik 6, die beispielsweise aus einer geeigneten Sammellinse bestehen kann, fokussiert den gebildeten Beleuchtungslaserstrahl 4 auf die zu bearbeitende Oberfläche 7.
Bei der Strahlformung wird ein Teil des Ausgangslaserstrahls 2 nicht abgelenkt und trifft als Überwachungslaserstrahl 5 auf die Detektionseinrichtung 8, genauer deren Detektionselement 9, das räumlich und zeitlich integrierend die Pulsenergie von Pulsen des Überwachungslaser strahls 5 als Eigenschaft des Überwachungslaserstrahls 5 erfaßt. Da entweder aus Berechnungen oder aus Messungen bekannt ist, wie groß das Verhältnis der Strahlungsanteile des Überwachungslaserstrahls 5 und des Beleuchtungslaserstrahls 4 ist, kann aus der von der Detektionseinrichtung 8 detektierten Pulsenergie auf die Pulsenergie des Ausgangslaserstrahls 2 bzw. des aus dem Ausgangslaserstrahl gebildeten Beleuchtungslaserstrahls 4 zurückgeschlossen werden.
Die Auswerteelektronik 10 wertet die Signale der Photodiode 9 aus und sendet Ausgangssignale, die die Pulsenergie des Überwachungslaserstrahls 5 wiedergeben, an die Regeleinrichtung 11 des Lasers 1, in der die erfaßte Energie des Überwachungslaserstrahls 5 zunächst in einen Meßwert für die Pulsenergie des Ausgangslaserstrahls 2 umgerechnet, dieser Wert dann mit einem entsprechenden Sollwert für die Pulsenergie des Ausgangslaserstrahls 2 verglichen und in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen Meßwert und Soll-Wert die Leistung des Lasers 1 so geändert wird, daß der Soll-Wert der Pulsenergie des Ausgangslaserstrahls 2 bzw. des Beleuchtungslaserstrahls 4 erreicht wird. Alternativ zur Vorgabe eines Soll-Werts für die Pulsenergie des Ausgangslaserstrahls 5 kann auch der erfaßte Wert der Pulsenergie des Überwachungslaserstrahls 5 mit einem entsprechenden vorgegebenen Soll-Wert verglichen werden.
Bei einer anderen Variante des strahlformenden Elements können die Erhebungen auch unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen und als Mikrolinsen unterschiedlicher Brennweite wirken. Es ist auch möglich, daß die Erhebungen gleicher oder unterschiedlicher Krümmungsradien nicht statistisch, sondern in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
3 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die sich von der des ersten Ausführungsbeispiels dadurch unterscheidet, daß das strahlformende Element 3 durch ein homogenisierendes strahlformendes und gleichzeitig fokussierend wirkendes Element 3' ersetzt ist, so daß auf die Fokussieroptik 6 verzichtet werden kann. Alle anderen Komponenten der Beleuchtungseinrichtung sind unverändert, so daß für diese die gleichen Bezugszeichen verwendet werden und die Erläuterungen zu diesen Komponenten ebenfalls entsprechend gelten.
In den 4A und 4B ist eine entsprechende Mikrostruktur des strahlformenden Elements 3' schematisch gezeigt. Die Mikrostruktur umfaßt dabei mikrolinsenartige Elemente, die sich, wie in 4B gezeigt, als Überlagerung einer prismatischen Form 13 und einer Kugelkappe 14, wodurch sich eine teilweise Ablenkung des Ausgangslaserstrahls 2 in den Beleuchtungslaserstrahl 4, eine Homogenisierung und durch eine in den 4A und 4B nicht erkennbare Formgebung eine Fokussierung ergibt. Durch Beugung an den Kanten der prismatischen Formen bzw. die blaze-artige Struktur wird darüber hinaus der Überwachungslaserstrahl 5 gebildet.
5 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß statt des strahlformenden Elements 3 ein strahlformendes Element 3'' verwendet wird, wobei die anderen Komponenten bis auf Ihre Anordnung entsprechend dem geänderten Strahlengang des Beleuchtungslaserstrahls 4'' und des Überwachungslaserstrahls 5'' gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel unverändert sind.
Das strahlformende Element 3'' wirkt homogenisierend, strahlteilend und fokussierend und weist hierzu zur Strahlformung geometrisch optisch reflektierend wirkende Mikrospiegel auf. Ein Bespiel für eine solche Mikrospiegelanordnung ist qualitativ in 6 dargestellt, die das strahlformende Element 3'' von der nicht beleuchteten Rückseite zeigt. Das strahlformende Element weist eine Vielzahl von statistisch verteilten Hohlspiegeln 15 gleicher Krümmung mit einem Abstand auf, der räumlich etwa der Kohärenzlänge des Ausgangslaserstrahls 2 entspricht. Ein solches Element kann mit ähnlichen Methoden, wie im ersten Ausführungsbeispiel geschildert, konstruiert und durch Herstellung einer entsprechenden Mikrostruktur auf einem Glassubstrat mit nachfolgender Bedampfung mit einer geeigneten reflektierenden Schicht hergestellt werden. Auch hier wird der Überwachungslaserstrahl 5'' durch bei der Strahlformung entstehende Anteile des Ausgangslaserstrahls 2 gebildet, die durch planmäßig oder nur fertigungsbedingt vorhandene Formabweichungen oder Strukturbestandteile zwischen den Hohlspiegeln 15 relativ zu der in 6 oben gezeigten Grundebene des strahlformenden Elements 3'' spekular, d.h. mit gleichem Einfalls- wie Ausfallswinkel, reflektiert werden.
Bei einer anderen Variante des strahlformenden Elements können die Hohlspiegel 15 unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Es ist auch möglich, daß die Hohlspiegel 15 in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
Alternativ kann auch ein diffraktiv wirkendes, reflektiv strahlformendes Element verwendet werden, bei dem gebeugt reflektierte Anteile den Beleuchtungslaserstrahl und die nicht gebeugt reflektierten Anteile, die der nullten Beugungsordnung entsprechen, den Überwachungslaserstrahl bilden.
Eine Beleuchtungseinrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Beleuchtungseinrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels nur durch die Ausbildung des strahlformenden Elements. Dieses weist eine zur Strahlformung diffraktiv wirkende Struktur auf. Als Struktur kann beispielsweise eine holographisch erzeugte Struktur, insbesondere ein Phasen-Hologramm verwendet werden. Solche Strukturen können mittels geeigneter Software beispielsweise dem Programm VOL4 des Unternehmens Light- Trans GmbH, D-07745 Jena, Deutschland, basierend auf iterativen Fourier-Transformationsalgorithmen (IFTA) aus einer vorgegebenen gewünschten Intensitätsverteilung im Fernfeld ausgehend von einer gegebenen Intensitätsverteilung des Ausgangslaserstrahls 2 generiert werden. Auf diese Weise entstehen Höhenprofile, die rein auf Beugung basierend den einfallenden Beleuchtungslaserstrahl 2 ablenken und in denen die enthaltenen Verteilungen an Ortfrequenzen sowie deren räumliche Orientierung die Intensitätsverteilung im Fernfeld bestimmen.
Die berechneten Strukturen können direkt durch schreibende Belichtungstechniken, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, oder Photolithographie erzeugt werden. Für die Photolithographie können mehrere binäre Masken unter Verwendung eines Mask-Aligners verwendet werden, um das gewünschte Höhenprofil zu erhalten. 7 zeigt eine Schicht einer solchen binären Maske. Die mit der Maske in 7 erzeugten Strukturen erzeugen beispielsweise eine konstante bzw. „Flat-Top"-Verteilung mit einem Divergenzwinkel von 0,8°. Der Ausschnitt zeigt ca. 100 × 100 μm².
Alternativ können die Strahlformungselemente auch holographisch hergestellt werden, wie dies in den 8 und 9 schematisch dargestellt ist.
Beispielsweise kann ein aufgeweiteter und kollimierter Laserstrahl 16 zur Homogenisierung und Änderung der Winkelverteilung auf eine Streuscheibe 17 gerichtet werden, hinter der eine sammelnde Optik 18 abgebildet ist, die das Streulicht zur Bildung eines Hologramms auf einem Substrat 19 fokussiert. Ein Referenzlaserstrahl 20, der mit dem Laserstrahl 16 kohärent ist, interferiert mit dem gestreuten und fokussierten Laserstrahl 16 in bzw. auf dem Substrat 19. Die Interferenzstruktur kann dann durch lithographische Techniken in ein Phasen-Hologramm umgesetzt werden. Da der auf das Substrat 18 auftreffende Laserstrahl 16 konvergent ist, erzeugt das Hologramm bei Beleuchtung mit dem kohärenten Ausgangslaserstrahl ebenfalls einen konvergenten Strahl.
In 9 ist dagegen die Herstellung eines strahlformenden Elements mit einem divergenten Laserstrahl 16' gezeigt, bei dem keine sammelnde Optik verwendet wird, so daß der gestreute und dann divergente Laserstrahl 16' mit dem Referenzlaserstrahl 20 unmittelbar auf dem Substrat 19' zur Bildung des Hologramms interferiert.
10 zeigt einen Ausschnitt aus einer strahlformende Struktur eines in Transmission zu verwendenden strahlformenden Elements einer Beleuchtungseinrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Auch dieses strahlformende Element erzeugt einen Beleuchtungslaserstrahl, der gegenüber dem Ausgangslaserstrahl abgelenkt, und einen sich in einer anderen Richtung als der Beleuchtungslaserstrahl ausbreitenden Überwachungslaserstrahl. Darüber hinaus wird der Beleuchtungslaserstrahl homogenisiert und auf eine gewünschte Ebene fokussiert.
Als strahlformende Struktur wird hier eine Anordnung von Phasen-Hologrammen 21 verwendet, die zur Strahlformung diffraktiv wirkt. Die Anordung von Phasen-Hologrammen umfaßt statistisch verteilte Mikrooptiken basierend auf Blaze-Gitterstrukturen. 10 zeigt einen Ausschnitt von ca. 80 × 100 μm² der diffraktiven Struktur, bei der in der Form blazeartiger Beugungsgitterlinien 22 (Sägezahngitter) eine Vielzahl von räumlich separierten Hologrammen codiert ist, die bei Beleuchtung mit einer ebenen Welle eine entsprechende Vielzahl von Kugelwellen mit unterschiedlicher numerischer Apertur erzeugen, so dass bei deren Überlagerung im Fernfeld die gewünschte Intensitätsverteilung hervorgerufen wird. Die feinen Linien 22 veranschaulichen dabei die Kanten der Gitterstrukturen, die breiteren Linien 23 die Grenzen zwischen benachbarten Phasen-Hologrammen bzw. durch diese gebildeten Mikrooptiken. Die Periode der jeweiligen Blaze-Gitterstruktur als Basisstruktur beträgt etwa 1,3 μm. Der Deutlichkeit halber sind die Periode der Gitterlinien im Vergleich zu den Größen der Mikrooptiken zu groß und die Krümmung der Gitterlinien zu stark dargestellt.
Ein reflektiv diffraktiv wirkendes strahlformendes Element kann eine ähnliche Struktur aufweisen, die jedoch auf Reflexion optimiert ist.
11 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Beleuchtungseinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels darin unterscheidet, daß ein gegenüber dem strahlformenden Element 3 modifiziertes strahlformendes Element 3''' verwendet wird und dementsprechend der Laser 1 gedreht ist. Alle anderen Komponenten der Beleuchtungseinrichtung sind unverändert und es gelten die Ausführungen zu diesen entsprechend auch hier.
Das in 12 schematisch gezeigte strahlformende Element 3''' unterscheidet sich von dem strahlformenden Element 3 dadurch, daß das Substrat nun eine prismatische Basis 24 aufweist, auf deren schräg verlaufenden Oberfläche die durch die Erhebungen 12 des strahlformenden Elements 3 gebildete strahlformende Struktur 25, angedeutet durch eine gestrichelte Linie, ausgebildet ist. Der Winkel des Prismas ist so gewählt, daß der Beleuchtungslaserstrahl 5''' in derselben Richtung verläuft wie der Ausgangslaserstrahl 2, so daß nun der Überwachungslaserstrahl 4''' gegenüber dem Ausgangslaserstrahl 2 abgelenkt ist.
In anderen Ausführungsbeispielen können statt der strahlformenden Struktur 25 auch diffraktiv wirkende Strukturen, insbesondere die oben beschriebenen diffraktiven Strukturen, auf der prismatischen Basis 24 ausgebildet sein. Da diese Strukturen eine fokussierende Wirkung haben, kann dann die Fokussieroptik 6 entfallen.
Es ist jedoch auch möglich, die strahlformenden Strukturen nicht fokussierend zu gestalten und das strahlformende Element mit einer Fokussieroptik einzusetzen.
Die geschilderten bevorzugten Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen erlauben eine Beleuchtung einer gegebenen Oberfläche mit einem durch Strahlformung aus einem Ausgangslaserstrahl erzeugten Beleuchtungslaserstrahl bei gleichzeitiger Überwachung einer Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls oder eines aus diesem gebildeten Strahls. Dabei wird, bis auf die Ausführungsbeispiele der 1 und 11, in denen eine Fokussieroptik verwendet wird, neben der Aufteilung in Überwachungslaserstrahl und Beleuchtungslaserstrahl gleichzeitig mit nur einem strahlformenden Element eine Homogenisierung, Strahlformung und Fokussierung erzielt, so daß Strahlungsverluste gering gehalten werden können und ein einfacher Aufbau der Beleuchtungseinrichtung gegeben ist.
Statt der Regelung der Pulsenergie des Lasers 1 können die Signale der Detektionseinrichtung auch dazu verwendet werden, nachfolgende optische Einrichtungen, beispielsweise Modulatoren oder Zoom-Optiken zu steuern. Es ist auch möglich, die Anzahl und Zielorte der zur Oberflächenbearbeitung abzugebenden Pulse in Abhängigkeit von diesen Signalen zu ändern und so eine Änderung der Pulsenergie oder Laserleistung zu berücksichtigen.

Claims

Beleuchtungseinrichtung mit einem Laser (1) zur Abgabe eines Ausgangslaserstrahls (2), einem strahlformenden Element (3; 3'; 3''; 3''') zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls (4; 4'; 4''; 4''') aus dem von dem Laser (1) abgegebenen Ausgangslaserstrahl (2) und einer Detektionseinrichtung (8), die relativ zu dem strahlformenden Element (3; 3'; 3''; 3''') so angeordnet ist, daß mit der Detektionseinrichtung (8) bei der Formung des Beleuchtungslaserstrahls (4) auftretende Anteile (5; 5'; 5''; 5''') des Ausgangslaserstrahls (2) detektierbar sind, die sich in eine andere Richtung ausbreiten, als der Beleuchtungsstrahl (4; 4'; 4''; 4''').
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der das strahlformende Element (3; 3'; 3''; 3''') strahlteilend wirkt und den Ausgangslaserstrahl (2) in einen Überwachungslaserstrahl (5; 5'; 5''; 5''') und den Beleuchtungslaserstrahl (4; 4'; 4''; 4''') aufteilt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das strahlformende Element (3''') einen sich wenigstens über die zur Strahlformung benutzte Breite des strahlformenden Elements (3''') erstreckenden Abschnitt (24) von der Form eines Prismas aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element (3'; 3'') den Beleuchtungslaserstrahl (4; 4'; 4''; 4''') fokussiert.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element (3; 3'; 3''; 3''') den Beleuchtungslaserstrahl (4; 4'; 4''; 4''') unter Homogenisierung aus den Ausgangslaserstrahlen (2) bildet.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektionseinrichtung (8) zur Ermittlung wenigstens einer Strahleigenschaft ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektionseinrichtung (8) mit einer Regeleinrichtung (11) verbunden ist, die in Abhängigkeit von Detektionssignalen der Detektionseinrichtung (8) die Leistung des Lasers (1) regelt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element (3''; 3''') wenigstens eine zur Strahlformung diffraktiv wirkende Struktur (21) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element (3; 3') wenigstens eine zur Strahlformung refraktiv wirkende Struktur (12; 25) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element (3'') eine reflektive geometrisch-optisch strahlformende Struktur (15) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element (3; 3'; 3''; 3''') wenigstens eine wenigstens teilweise strahlformende mikrostrukturierte Ober- und/oder Grenzfläche aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 11, bei der das strahlformende Element (3; 3'; 3''') Mikrolinsen (12) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das strahlformende Element ein wenigstens teilweise strahlformendes Hologramm (21) aufweist.
Verfahren zur Formung eines Beleuchtungslaserstrahls (4; 4'; 4''; 4''') aus einem Ausgangslaserstrahl (2) und zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls (2) oder eines aus diesem gebildeten Strahls (5; 5'; 5''; 5'''), bei dem der Beleuchtungslaserstrahl (4; 4'; 4''; 4''') aus dem Ausgangslaserstrahl (2) geformt und wenigstens eine Eigenschaft eines bei der Strahlformung neben dem Beleuchtungslaserstrahl (4; 4'; 4''; 4''') auftretenden Strahlanteils (5; 5'; 5''; 5''') erfaßt wird, die die Eigenschaft des Ausgangslaserstrahls (2) oder des aus diesem gebildeten Strahls wiedergibt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem bei der Strahlformung der Beleuchtungslaserstrahl (2) auf eine vorgegebene Ebene (7) fokussiert wird.
Verfahren zur Regelung der Stärke eines von einem Laser (1) abgegebenen Ausgangslaserstrahls (2) oder eines aus diesem gebildeten Strahls (4; 4', 4'', 4'''), bei dem mit dem Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15 als Eigenschaft die Stärke des von dem Laser (1) abgegebenen Ausgangslaserstrahls (2) oder eines aus diesem Strahls ermittelt und die Leistung des Lasers (1) in Abhängigkeit von einer Soll-Stärke des von dem Laser (1) abgegebenen Ausgangslaserstrahls (2) oder des aus diesem gebildeten Strahls und der erfaßten Stärke geregelt wird.