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Die
Erfindung betrifft ein optisches Verzögerungsmodul zum Verlängern des
Laufweges eines Lichtstrahls nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, ein Pulsvervielfachungs- oder
Streckungsmodul mit einem optischen Verzögerungsmodul der vorstehend
genannten Art sowie ein Laserkristallisationssystem mit einem optischen
Verzögerungsmodul
bzw. einem Pulsvervielfachungs- oder Streckungsmodul der zuvor angegebenen
Art.
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Aus
der Patentliteratur sind optische Verzögerungsmodule zur Verlängerung
beispielsweise von Laserpulsen bekannt, die auf folgendem Prinzip
beruhen:
- • Aufteilung
des Strahls über
ein teilreflektierendes Element
- • Verzögerung eines
Teilstrahls durch Durchlaufen eines gewissen optischen Wegs (ggf.
auch mehrfach durch wiederholte Aufteilung)
- • Kombination
der Teilstrahlen (am Ort der Aufspaltung), so dass diese anschließend alle
wieder in Ort und Richtung mit dem ursprünglichen Strahl übereinstimmen.
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Die
Umlaufzeit wird durch die Länge
der Verzögerungsstrecke
und die Lichtgeschwindigkeit bestimmt, so dass für Zeiten im Bereich von 20
ns bereits Längen
von 6 m notwendig sind. Vorteilhafterweise wird der Umlauf mit einer
Abbildung des Beginns der Verzögerungsstrecke
auf deren Ende verbunden, so dass die umlaufenden Strahlen zwar
verzögert,
aber ansonsten unverändert
das Verzögerungsmodul
verlassen.
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Eine
aus Gründen
der Stabilität
und Einfachheit bevorzugte Anordnung eines optischen Verzögerungsmoduls
10 zum
Verlängern
des Laufweges eines Lichtstrahls
11 gemäß dem Stand der Technik, von
der die Erfindung aus geht und die in der
US 2005/0127184 A1 beschrieben
ist, verwendet zwei sphärische
Spiegel
12,
14 in einer konfokalen Anordnung,
wie in den
4 bis
6 dargestellt.
Der Lichtstrahl
11 wird beispielsweise von einem nicht
dargestellten Laser erzeugt.
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Die
Krümmungsradien
r1 und r2 der sphärischen
Spiegel 12 und 14 sind zumindest annähernd gleich.
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Der
erste Spiegel 12 und der zweite Spiegel 14 sind
auf einer gemeinsamen Symmetrieachse 16 mit ihren Hohlseiten
einander gegenüberstehend
angeordnet, und zwar in einem Spiegelabstand D, der den Krümmungsradien
r1 und r2 entspricht.
Die Anordnung ist somit eine konfokale oder 4fB-Anordnung
der Spiegel 12 und 14, so dass diese Anordnung
die Eigenschaften einer 1:1-Abbildungsoptik besitzt.
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Das
Verzögerungsmodul 10 weist
eine Einkoppelfläche 18 auf,
die, wenn das Verzögerungsmodul nicht
eigenständig
als Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul dienen soll, vollständig reflektierend
ist. Die Einkoppelfläche 18 wird
beispielsweise durch einen um 45° zum
einfallenden Lichtstrahl 11 verkippten Spiegel gebildet.
Die Einkoppelfläche 18 dient
dazu, den Lichtstrahl 11 in den Raum zwischen den ersten
und zweiten Spiegel 12, 14 einzukoppeln.
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Ab
der Einkoppelfläche 18 ist
der Strahlengang wie folgt. Entsprechend den in 4 eingezeichneten Pfeilen
läuft der
Lichtstrahl 11 in der Einkoppelfläche 18 zu der Stelle
a an dem zweiten Spiegel 14, wird dort reflektiert und
läuft etwa
durch den Brennpunkt F zu dem ersten Spiegel 12 und wird
dort an der Stelle b reflektiert. Von der Stelle b läuft der
Lichtstrahl 11 wieder zu dem zweiten Spiegel 14,
wird dort an der Stelle c reflektiert und läuft wiederum etwa durch den
Brennpunkt F zu dem ersten Spiegel 12, wo der Lichtstrahl
dann an der Stelle d reflektiert wird. Von dort läuft der
Lichtstrahl 11 zu der Rückseite
der Einkoppelfläche 18,
die reflektierend ausgebildet ist und als Auskoppelfläche 20 zum
Auskoppeln des Lichtstrahls 11 aus dem Raum zwischen den
beiden Spiegeln 12 und 14 dient. Gemäß Pfeil 22 verlässt der
Lichtstrahl 11 somit nach vier Umläufen das Verzögerungsmodul 10,
wobei der ausgekoppelte Lichtstrahl 11 und der eingekoppelte
Lichtstrahl 11 auf derselben optischen Achse liegen und
die gleiche Form und Querschnittsfläche aufweisen, da das Verzögerungsmodul 10 durch
Verwendung der sphärischen
Spiegel 12 und 14 die Einkoppelfläche 18 1:1
auf die Auskoppelfläche 20 abbildet.
Der Laufweg des Lichtstrahls 11 ist somit in dem Verzögerungsmodul 10 um
etwa das Vierfache des Spiegelabstands D verlängert worden.
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Das
Verzögerungsmodul 10 kann
auch als Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul verwendet werden,
wenn die Einkoppelfläche 18 nur
teilweise reflektierend ist, so dass der auf die Einkoppelfläche 18 einfallende
Lichtstrahl 11 teilweise in das Verzögerungsmodul 10 eingekoppelt
und teilweise durchgelassen wird. Derjenige Teilstrahl des Lichtstrahls 11,
der dann wie zuvor beschrieben viermal zwischen den Spiegeln 12 und 14 umgelaufen
ist, wird dann an der Auskoppelfläche 20, die dann als
Strahlvereinigungsfläche
wirkt, teils mit dem einfallenden Lichtstrahl 11 vereint,
teils transmittiert und läuft
ein weiteres Mal um. Auf diese Weise werden Lichtpulse, aus denen
der Lichtstrahl 11 bestehen kann, aufgeteilt und jeweils
um die Umlaufzeit verzögert
wieder überlagert,
wodurch die Spitzenleistung jedes einzelnen Pulses reduziert wird.
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In
der Darstellung in 6 ist gezeigt, das der Lichtstrahl
an dem ersten Spiegel 12 an den beiden Stellen d und b
reflektiert wird, wobei diese beiden Spots d, b in einer Ebene liegen,
die durch die Symmetrieachse 16 hindurchgeht. Die gleichen
Verhältnisse
liegen am Spiegel 14 vor.
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Für hier exemplarisch
gewählte
Parameter
Eingangsstrahldurchmesser | δ = 20 mm |
Spiegelabstand | D
= 1600 mm |
Abstand
der Strahlen auf den Spiegeln | ds = 60 mm |
ergibt sich für
den optimalen Spiegelradius von r
1 = r
2 = 801.16 mm ein Wellenfrontfehler (bei
einem Umlauf) von = 147.2 nm rms.
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Für viele
Anwendungen kann dieser Wert zu groß sein.
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Aus
der
DE 128 10 67 B ist
ein Resonator bekannt, der aus zwei sich gegenüberstehenden Spiegeln aufgebaut
ist. Die Spiegel haben eine zylindrische Komponente in ihrer ansonsten
sphärischen
Form. Die Spiegel haben einen Hauptradius, der dem konfokalen Fall
nahe kommt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verzögerungsmodul
und ein Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Wellenfrontfehler fW gegenüber
der Ausführungsvariante
gemäß dem Stand
der Technik geringere Werte aufweist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verzögerungsmodul
durch die Merkmale der Patentansprüche 1 oder 16 gelöst. Hinsichtlich
des Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmoduls wird die Aufgabe
erfindungsgemäß durch
ein Verzögerungsmodul
der zuvor genannten Art gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Eine
Betrachtung des Wellenfrontfehlers beim oben dargestellten konfokalen
Design zeigt, dass dieser zu einem großen Teil aus Astigmatismus
besteht. Dieser Fehler kann vermieden werden, wenn der schiefe Einfall
auf die Spiegel nicht immer in der gleichen Richtung (relativ zum
Strahl gesehen) stattfindet. Dazu ist es notwendig, die eine Ebene,
in der die Strahlen bislang verlaufen, zu verlassen. Dies ist problemlos
möglich, da
die Spiegel bei der konfokalen Anordnung stets auf dem anderen Spiegel
einen Auftreffpunkt auf den anderen abbilden; unabhängig davon,
wo sie selbst getroffen werden.
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Bei
den in der
US
2005/0127184 A1 beschriebenen Ausführungsvarianten von Verzögerungsmodulen finden
stets vier Reflexionen an den beiden konfokal angeordneten Spiegeln
statt, während
der sich der Lichtstrahl in einer Ebene ausbreitet. Bei den in den
2 bis
9 dargestellten Ausführungsvarianten wird der Strahl nach
jeweils einem Umlauf (mit vier Reflexionen an den beiden Spiegeln)
mit Hilfe einer optischen Umsetzanordnung in eine andere Ebene umgesetzt
und vollzieht dann wieder einen Umlauf mit weiteren vier Reflexionen an
den beiden Spiegeln, bevor der Lichtstrahl entweder ausgekoppelt
oder erneut umgesetzt wird.
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Das
Verzögerungsmodul
gemäß der Erfindung
zeichnet sich nunmehr dadurch aus, dass zwischen dem ersten und
zweiten Spiegel zumindest eine optische Umlenkanordnung vorhanden
ist, die den Lichtstrahl zwischen den Spiegeln derart umlenkt, dass
der Lichtstrahl jeweils spätestens
nach vier aufeinander folgenden Reflektion an den beiden Spiegeln
nicht mehr in der gleichen Einfallsebene liegt. Selbstverständlich kann
eine Umlenkung auch früher
erfolgen. So sieht die Erfindung in einer vorteilhaften Variante
vor, dass die optische Umlenkanordnung den Lichtstrahl zwischen
den Spiegeln derart umlenkt, dass der Lichtstrahl jeweils bereits spätestens
nach drei aufeinander folgenden Reflektion nicht mehr in der gleichen
Einfallsebene liegt. Idealist es, wenn die optische Umlenkanordnung
den Lichtstrahl zwischen den Spiegeln derart umlenkt, dass der Lichtstrahl
jeweils bereits nach zwei aufeinander folgenden Reflektion nicht
mehr in der gleichen Einfallsebene liegt bzw. windschief zueinander
sind. Anders ausgedrückt
verläuft
das Einfallslot der zweiten Reflexion windschief zu dem Einfallslot
der ersten Reflexion.
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Grundsätzlich ist
es nicht zwingend erforderlich (wenngleich vorteilhaft und daher
bevorzugt), dass das optische Verzögerungsmodul entsprechend der
bevorzugten Ausführungsform
nach der
US 2005/0127184
A1 zwei sphärische
Spiegel aufweist und dass diese gar konfokal, also im Abstand deren
Spiegelradien zueinander, angeordnet sind, sondern es reicht, wenn
die Spiegel abweichend vom Planspiegeln ausgebildet sind und mit
ihren Hohlseiten gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Vorzugsweise
sind die (gedachten) Projektionen der Stellen, an denen der Lichtstrahl
nacheinander an dem ersten und an dem zweiten Spiegel reflektiert
wird, in Richtung der Symmetrieachse auf eine zu der Symmetrieachse
senkrechte Projektionsfläche
um einen Winkel gegeneinander verdreht. Besonders günstig ist
es, insbesondere im Falle eines einfachen Verzögerungsmoduls, bei dem der
Lichtstrahl genau einen Umlauf mit vier Reflexionen an den beiden
Spiegeln durchführt,
wenn dieser Winkel gerade 90° beträgt. Nach
einem Umlauf befindet sich der Strahl wieder (fast genau) am Ort
der Einkopplung und kann dort auch wieder ausgekoppelt oder ggf.
umgesetzt werden. Bei Verzögerungsmodulen,
bei denen der Lichtstrahl mehrfach oder nicht vollständig umläuft, dividiert
sich dieser rechte Winkel vorzugsweise durch die Mehrfach- und/oder Bruchteils-Anzahl der Mehrfach-
oder Teilumläufe,
wobei insbesondere auch Viertel-, Halb-, Dreiviertel- etc. -umlaufe
denkbar sind.
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Es
sei noch einmal ausdrücklich
angemerkt, dass kein bestimmter Verdrehwinkel, insbesondere kein Winkel
von 90° zwischen
aufeinander folgenden Auftreffstellen des Lichtstrahls notwendig
ist. Genauso wenig ist es erforderlich, dass die Auftreffstellen
stets denselben Abstand zur Symmetrieachse aufweisen. Dennoch hat
es sich als günstig
erwiesen, wenn die Stellen, an denen der Lichtstrahl nacheinander
an dem ersten und an dem zweiten Spiegel reflektiert wird, jeweils
den gleichen Abstand zu einem jeweiligen Durchstoßpunkt aufweisen,
an dem die Symmetrieachse die jeweiligen Spiegel durchstößt. Der
Wellenfrontfehler lässt
sich durch diese Maßnahme
um ein Vielfaches reduzieren.
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Die
optische Umlenkanordnung kann in unterschiedlichster Weise ausgestaltet
sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung
sieht vor, dass die optische Umlenkanordnung die Einkoppelfläche umfasst
oder gar (ggf. allein) durch diese gebildet ist. Während bei
der o. a. Ausführungsvariante
gemäß dem Stand
der Technik das Einfallslot des an der Einkoppelfläche eingekoppelten
einfallenden Strahls in der durch die Symmetrieachse und die Ausbreitungsrichtung
des einfallenden Strahls gebildeten Ebene liegt, ist in einer sehr
vorteilhaften Ausführungsvariante
die Einkoppelfläche
derart geneigt, dass das Einfallslot nicht mehr in dieser Ebene
liegt und/oder windschief zu der Symmetrieachse verläuft.
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Die
Einkoppelfläche
verläuft
im Gegensatz zu den Ausführungsvarianten
gemäß dem vorstehend
beschriebenen Stand der Technik vorzugsweise im Abstand zur Symmetrieachsenmitte
zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel. Ein hier in Bezug auf
die Symmetrieachse und die Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden
Strahls schiefe Einkoppelflächenanordnung
erlaubt ein einfaches windschiefes Verdrehen der an den beiden Spiegeln
reflektierten Strahlen gegeneinander.
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Obwohl
die Form der Einkoppelfläche
für den
Lichtstrahl dem Grunde nach beliebig gewählt werden kann, besteht die
einfachste und damit kostengünstigste
Variante darin, die Einkoppelfläche
als Ebene auszubilden.
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In
der
US 2005/0127184
A1 schließt
die Normale der Einkoppelfläche
und die Ausbreitungsrichtung des einfallenden einzukoppelnden Lichtstrahls
einen Winkel von etwa 45° ein,
so dass der Lichtstrahl im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse
Richtung auf den ersten Spiegel abgelenkt wird. Gemäß der Erfindung ist
bei im Übrigen
im wesentlichen identischer Anordnung vorgesehen, dass die Einkoppelflächennormale
und die aus der Symmetrieachse und der Ausbreitungsrichtung des
auf die Einkoppelfläche
auftreffenden Lichtstrahls gebildete Ebene einen Winkel einschließen. Wenn
der Lichtstrahl z. B. senkrecht zur Symmetrieachse einfällt, verlaufen
die reflektierten Lichtstrahlen windschief zueinander.
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Grundsätzlich ist
es unerheblich, an welchem Ort zwischen den beiden Spiegeln sich
die Auskoppelfläche
befindet, soweit diese durch den reflektierten Strahl getroffen
wird. Aus Symmetriegründen
ist es jedoch günstig,
wenn die Auskoppelfläche
zumindest annähernd
durch die Symmetrieachsenmitte zwischen dem ersten und dem zweiten
Spiegel verläuft.
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Auch
die Kontur der Auskoppelfläche
kann in weiten Grenzen beliebig gewählt werden. Aus Herstellungs-
und damit Kostengründen
wird die Auskoppelfläche
jedoch bevorzugt eine Ebene sein.
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Aus ähnlichen Überlegungen
wie im Hinblick auf die Einkoppelfläche ist es günstig, wenn
die Auskoppelflächennormale
und die Ausbreitungsrichtung des von der Auskoppelfläche reflektierten
Lichtstrahls einen Winkel einschließen. In der Variante aus der
US 2005/0127184 A1 schließt die Normale
der Auskoppelfläche und
die Ausbreitungsrichtung des ausfallenden Lichtstrahls einen Winkel
von etwa 45° ein,
so dass ein im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse auf die
Auskopplungsfläche
treffender Lichtstrahl senkrecht zur Symmetrieachse abgelenkt wird.
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Gemäß der Erfindung
ist bei Übrigen
im wesentlichen identischer Anordnung vorgesehen, dass die Auskopplelflächennormale
und die aus der Symmetrieachse und der Ausbreitungsrichtung der
von der Auskoppelfläche
reflektierten Lichtstrahls gebildete Ebene einem Winkel einschließen.
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Ähnlich wie
bei den in der
US
2005/0127184 A1 beschriebenen Ausführungsbeispielen kann zwischen dem
ersten und zweiten Spiegel zumindest eine optische Umsetzanordnung
vorhanden sein, die den Lichtstrahl zwischen den Spiegeln derart
umsetzt, dass der Laufweg des Lichtstrahls ohne Ausblendung von Strahlteilen
zwischen der Einkoppelfläche
und der Auskoppelfläche
etwa dem 2 N-fachen Spiegelabstand entspricht, wobei N eine ganze
Zahl > 2 ist. Auf
einfache Weise kann durch diese Maßnahme bei weiterhin kompakter
Bauweise eine größere Verzögerungsstrecke
realisiert werden. Der Justageaufwand des Systems bleibt dabei vergleichsweise
gering.
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Geht
man ganz allgemein von einem optischen Verzögerungsmodul zum Verlängern des
Laufweges eines Lichtstrahls, wie es z. B. in der o. a.
US 2005/0127184 A1 beschrieben
ist, mit einem ersten sphärischen Spiegel
und einem zweiten sphärischen
Spiegel in konfokaler Anordnung und mit einer optischen Umsetzanordnung,
die den Lichtstrahl zwischen den Spiegeln derart umsetzt, dass der
Laufweg des Lichtstrahls ohne Ausblendung von Strahlteilen zwischen
der Einkoppelfläche
und der Auskoppelfläche
etwa dem 2 N-fachen Spiegelabstand entspricht, wobei N eine ganze
Zahl > 2 ist, aus,
so stellt man fest, dass die dort beschriebenen Umsetzeinrichtungen
ausnahmslos Prismen sind. Diese Prismen sind vergleichsweise groß und damit
teuer bzw. schwer herzustellen, und/oder es bleibt sehr wenig Platz
für die
Halterung eines Strahlteilers.
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Die
weitere vorliegend offenbarte Erfindung besteht darin, als optische
Umsetzanordnung (vorzugsweise) anstelle der in der
US 2005/0127184 A1 vorgeschlagenen
Prismen einen planparallelen, beidseitig reflektierenden Spiegel
zu verwenden. Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, die Einfallsebene
bereits nach vier Reflexionen zu verlassen, wie dies der nebengeordnete
Anspruch 1 fordert. Vielmehr kann auch die in der
US 2005/0127184 A1 prinzipiell
beschriebene Konfiguration verwendet werden, bei der der Strahl
einen Umlauf lang in einer Ebene verbleibt. Diese Variante ermöglicht eine
praktisch unbegrenzte Zahl von Designoptionen. Ein derartiger Spiegel
ist sehr einfach herstellbar. Es besteht eine sehr geringe Sensitivität auf die
genaue Lage des planparallelen Spiegels und damit eine sehr einfache
und unkritische Justage.
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Dieser
planparallele beidseitig reflektierende Spiegel kann grundsätzlich in
beliebiger Weise im Strahlengang angeordnet sein. Dennoch hat es
sich aus Symmetrie- und Performancegründen als vorteilhaft herausgestellt,
wenn der planparallele, beidseitig reflektierende Spiegel in der
Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel angeordnet ist.
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Wenn
der planparallele, beidseitig reflektierende Spiegel teildurchlässig ausgebildet
ist, kann eine bessere Glättung
des erzeugten Pulses erreicht werden. Das Verzögerungsmodul als ganzes entspricht
dann einer Ineinanderschachtelung zweier Pulsverzögerungsmodule
der vorstehend beschriebenen Art.
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Wie
oben bereits angedeutet wurde, kann aus einem optischen Verzögerungsmodul
der vorstehend beschriebenen Art in sehr einfacher Weise ein optisches
Pulsvervielfachungs- oder
-streckungsmodul, mit zumindest einer Strahlteilerfläche und
mit zumindest einer Strahlvereinigungsfläche aufgebaut werden.
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Bei
einem derart aufgebauten Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul
fallen die zumindest eine Strahlteilerfläche und die zumindest eine
Strahlvereinigungsfläche
bevorzugt im Wesentlichen zusammen. Die zumindest eine Strahlteilerfläche kann
dabei mit der Einkoppelfläche
und die zumindest eine Strahlvereinigungsfläche kann mit der Auskoppelfläche zusammenfallen.
Alternativ ist es auch möglich,
wenn zumindest die zumindest eine Strahlteilerfläche oder zumindest die zumindest
eine Strahlvereinigungsfläche
von der Einkoppelfläche
bzw. der Auskoppelfläche
getrennt sind.
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Die
gesamte Anordnung kann in einem kompakten Rohr mit geringem Durchmesser
untergebracht werden, der nur geringfügig größer ist als der Durchmesser
des Lichtstrahls.
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Das
erfindungsgemäße Verzögerungsmodul
und/oder das erfindungsgemäße Pulsvervielfachungs- oder
-streckungsmodul wird vorzugsweise in einem Laserkristallisationssystem
zur Herstellung von polykristallinem Silizium aus amorphem Silizium
verwendet. Ein Beispiel eines derartigen Systems entnimmt man z. B.
D. S. Knowles et al., „Thin
Beam Crystallization Method: a New Laser Annealing Tool with Lower
Cost and Higher Yield for LTPS Panels", SID Digest 2005; presented an May
25–27,
2005 at SID Conference oder in Ji-Yong Park et al., "Thin Laser Beam crystallization
method for SOD and OLED application", SID Digest 2005; presented an May
25–27,
2005 at SID Conference.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug
auf diese hiernach näher
beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Komponenten sind dabei
in allen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines optischen Verzögerungsmoduls
gemäß der Erfindung
mit Strahlengang in perspektivischer Darstellung,
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2:
das optische Verzögerungsmodul
nach der 1 im Schnitt senkrecht zur Symmetrieachse,
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3:
das optische Verzögerungsmodul
nach den 1 und 2 im Schnitt
senkrecht zur Symmetrieachse,
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4:
ein optisches Verzögerungsmodul
gemäß dem Stand
der Technik als Basismodul mit Strahlengang in Seitenansicht,
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5:
das Verzögerungsmodul
nach der 4 in perspektivischer Darstellung,
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6:
das Verzögerungsmodul
nach den 4 und 5 im Schnitt
senkrecht zur Symmetrieachse,
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7:
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines optischen Verzögerungsmoduls
gemäß der Erfindung mit
Strahlengang in Seitenansicht,
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8:
ein drittes Ausführungsbeispiel
eines optischen Verzögerungsmoduls
gemäß der Erfindung
mit Strahlengang in perspektivischer Darstellung.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines optischen Verzögerungsmoduls 10 gemäß der Erfindung
mit Strahlengang in perspektivischer Darstellung. Das Verzögerungsmodul 10 umfasst
einen ersten sphärischen
Spiegel 12 und einen zweiten sphärischen Spiegel 14.
Die Krümmungsradien
r1 und r2 der beiden sphärischen
Spiegel 12 und 14 sind gleich. Der erste Spiegel 12 und
der zweite Spiegel 14 sind auf einer gemeinsamen Symmetrieachse 16 mit
ihren Hohlseiten einander gegenüberstehend
angeordnet, und zwar in einem Spiegelabstand D, der den krümmungsradien
r1 und r2 entspricht.
Die Anordnung stellt somit eine konfokale oder 4fB-Anordnung
der Spiegel 12 und 14 dar und weist daher die
Eigenschaften einer 1:1-Abbildungsoptik auf.
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Das
Verzögerungsmodul 10 weist
eine Einkoppelfläche 18 auf,
die, wenn das Verzögerungsmodul 10 nicht
eigenständig
als Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul dienen soll, vollständig reflektierend
ist. Die Einkoppelfläche 18 liegt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
mittig zwischen den Stellen a und d, i. e. in der Nähe von aber
nicht koinzident mit dem Brennpunkt F sowie radial von der Symmetrieachse 16 nach
außen
verschoben. Die Einkoppelfläche 18 wird
beispielsweise durch einen um 45° zu
einem zum Beispiel von einem (nicht dargestellten) Laser erzeugten
einfallenden Lichtstrahl 11 verkippten und um die Symmetrieachse 16 um
wenige Grad verdrehten ebenen Spiegel gebildet. Die Einkoppelfläche 18 dient
dazu, den Lichtstrahl 11 in den Raum zwischen den ersten
und zweiten Spiegel 12, 14 einzukoppeln.
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Ab
der Einkoppelfläche 18 ist
der Strahlengang wie folgt. Entsprechend den in 1 eingezeichneten Pfeilen
läuft der
Lichtstrahl 11 von der Einkoppelfläche 18 zu der Stelle
a an dem zweiten Spiegel 14, wird dort reflektiert und
läuft windschief
zu der Symmetrieachse 16 zu dem ersten Spiegel 12 und
wird dort an der Stelle b reflektiert. Von der Stelle b läuft der
Lichtstrahl 11 wieder windschief zu der Symmetrieachse 16 und
zu seinem bisherigen Strahlengang im Verzögerungsmodul 10 zu
dem zweiten Spiegel 14, wird dort an der Stelle c reflektiert
und läuft
wiederum windschief zu dem ersten Spiegel 12, wo der Lichtstrahl
dann an der Stelle d reflektiert wird. Von dort läuft der
Lichtstrahl 11 zu der Rückseite
der Einkoppelfläche 18,
die reflektierend ausgebildet ist und als Auskoppelfläche 20 zum
Auskoppeln des Lichtstrahls 11 aus dem Raum zwischen den
beiden Spiegeln 12 und 14 dient. Gemäß Pfeil 22 verlässt der
Lichtstrahl 11 somit nach vier Reflektionen an den beiden
Spiegeln 12, 14 das Verzögerungsmodul 10, wobei
der ausgekoppelte Lichtstrahl 11 und der eingekoppelte
Lichtstrahl 11 auf derselben optischen Achse liegen und
die gleiche Form und Querschnittsfläche aufweisen, da das Verzögerungsmodul 10 durch
Verwendung der sphärischen
Spiegel 12 und 14 die Einkoppelfläche 18 1:1
auf die Auskoppelfläche 20 abbildet.
Der Laufweg des Lichtstrahls 11 ist somit in dem Verzögerungsmodul 10 um
etwa das Vierfache des Spiegelabstands D verlängert worden.
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Das
Verzögerungsmodul 10 kann
auch als Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul verwendet werden,
wenn die Einkoppelfläche 18 nur
teilweise reflektierend ist, so dass der auf die Einkoppelfläche 18 einfallende
Lichtstrahl 11 teilweise in das Verzögerungsmodul 10 eingekoppelt
und teilweise durchgelassen wird. Derjenige Teilstrahl des Lichtstrahls 11,
der dann wie zuvor beschrieben viermal zwischen den Spiegeln 12 und 14 hin-
und hergelaufen ist, wird dann an der Auskoppelfläche 20,
die dann als Strahlvereinigungsfläche wirkt, teils mit dem einfallenden
Lichtstrahl 11 vereint, teils transmittiert und läuft ein
weiteres Mal um. Auf diese Weise werden Lichtpulse, aus denen der
Lichtstrahl 11 bestehen kann, aufgeteilt und jeweils um
die Umlaufzeit verzögert
wieder überlagert,
wodurch die Spitzenleistung jedes einzelnen Pulses reduziert wird.
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Bei
der in der 1 dargestellten Anordnung sind
die Auftreffpunkte a, c bzw. b, d auf dem oberen und unteren Spiegel
um einen Winkel β =
90° gegeneinander
verdreht, wie sich aus 2 und 3 ergibt.
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Legt
man die gleichen Parameter wie oben zu dem in den
4 bis
6 dargestellten
Verzögerungsmodul
gemäß dem Stand
der Technik zugrunde, nämlich
Eingangsstrahldurchmesser | δ = 20 mm |
Spiegelabstand | D
= 1600 mm |
Abstand
der Strahlen auf den Spiegeln | ds = 60 mm |
so reduziert sich der Wellenfrontfehler um einen
Faktor 7 von f
W = 142.7 nm rms auf f
W = 19.7 nm rms.
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Wesentlich
ist, dass die Strahlen nicht in einer Ebene umlaufen. Neben der
gezeigten Anordnung gibt es weitere (allgemeinere); so sind weder
der Winkel von 90° zwischen
den Auftreffpunkten noch deren gleicher Abstand zwingend notwendig,
auch wenn diese zu besonders guten Ergebnissen führen.
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Die
7 zeigt
eine zu der in der
4 der
US 2005/0127184 A1 komplementäre Ausführungsvariante
eines Pulsvervielfachungs- und -streckungsmoduls
80 dargestellt,
das ein Verzögerungsmodul
82 aufweist,
das wiederum auf dem Verzögerungsmodul
10 nach
den
4 bis
6 basiert, jedoch eine zu der
4 der
US 2005/0127184 A1 abgewandelte
optische Umsetzanordnung
84 umfasst.
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Das
Pulsvervielfachungs- oder -streckungsmodul 80 weist eine
Strahlteilerfläche 96 und
eine Strahlvereinigungsfläche 98 auf,
die wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel
mit der Einkoppelfläche 18 und
der Auskoppelfläche 20 zusammenfallen.
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Die
optische Umsetzanordnung 84 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als planparalleler, beidseitig (Bezugszeichen 86, 88)
reflektierender Spiegel ausgeführt.
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Ausgehend
von der Einkoppelfläche 18 bzw.
Strahlteilerfläche 96 wird
ein Teil des eingekoppelten Lichtstrahls 11 in die Verzögerungsstrecke
des Verzögerungsmoduls 81 eingekoppelt.
Von der Einkoppelfläche 18 läuft der
Lichtstrahl 11 zur Stelle a auf dem ersten Spiegel 12,
wird dort zu der Stelle b auf den zweiten Spiegel 14 reflektiert,
von dort zur Stelle x auf der ersten Seite 86 des Planspiegels 12.
An diesem ebenen Planspiegel 84 wird der Lichtstrahl 11 in
Richtung des zweiten Spiegels 14 rückreflektiert. Dort trifft
er an der Stelle c auf, wird zur Stelle d auf dem ersten Spiegel 12 reflektiert,
von dort zu der Stelle e auf dem zweiten Spiegel 14, weiter
zu der Stelle f auf dem ersten Spiegel 12 und trifft schließlich an
der Stelle y auf die zweite Seite 88 des Planspiegels 84.
Durch dortige Rückreflexion
läuft der
Lichtstrahl 11 wieder in Richtung des ersten Spiegels 12,
wo er an der Stelle g auftrifft. Von dort läuft der Lichtstrahl 11 zur
Stelle h auf dem zweiten Spiegel 14, und trifft anschließend auf
die Auskoppelfläche 20 bzw.
Strahlvereinigungsfläche 98,
so dass der verzögerte Teilstrahl
mit dem nicht verzögerten
Teilstrahl des Lichtstrahls 11 vereint wird. Auch hier
ist der verzögerte
Teilstrahl hinsichtlich Größe und Form
gegenüber
dem nicht verzögerten
Teilstrahl unverändert.
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Bei
dieser Wahl der optischen Anordnung 84 trifft der Lichtstrahl,
wie in 7 dargestellt ist, auf die Spiegel 12 und 14 an
den Punkten a bis h, d. h. auf jeden Spiegel 12 und 14 an
vier Stellen, die auf einer Geraden liegen. Die Strahlfaltung in
dem Verzögerungsmodul 82 ist
nicht dreidimensional, sondern nur zweidimensional.
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Allgemein
lassen sich optische Umsetzanordnungen, die den Lichtstrahl
11 zwischen
den Spiegeln
12 und
14 ohne Richtungsänderung
achsversetzen (entsprechend den in der
US 2005/0127184 A1 beschriebenen
Ausführungsbeispielen)
oder den Lichtstrahl mit Richtungsumkehr achsversetzen (entsprechend
den in der
US
2005/0127184 A1 beschriebenen Ausführungsbeispielen oder entsprechend
der hier vorgestellten Ausführungsvariante),
in beliebigen Anordnungen miteinander kombinieren. Auf diese Weise
kann die gesamte Spiegelfläche
der sphärischen
Spiegel
12 und
14 ausgenutzt werden, um den Lichtstrahl
durch 2 N-fache Faltung zu verzögern.
Die dreidimensionale Faltung gemäß den Ausführungsbeispielen
in
2 und
3 der
US 2005/0127184 A1 hat
dabei den Vorteil, dass ein größerer Bereich
der Spiegelfläche
der Spiegel
12 und
14 zum Falten genutzt werden
kann als bei einer zweidimensionalen Faltung.
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Anstelle
einer planaren Konfiguration (in einer Ebene), wie sie in der 7 gezeigt
ist, kann auch eine nicht-planare Konfiguration (z. B. unter Verwendung
des Vorschlags gemäß den 1 bis 3)
zur Anwendung kommen. Diese hat den Vorteil eines kompakteren Bauraums
und geringerer Abbildungsfehler, wie oben beschrieben. Eine Ausführungsvariante
ist in der 8 dargestellt.
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Das
Verzögerungsmodul 90 umfasst
einen ersten und einen zweiten Spiegel 12, 14 in
konfokaler Anordnung. Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen ist eine Einkoppelfläche 18 und
eine Auskoppelfläche 20 zum
Ein- bzw. Auskoppeln eines Lichtstrahls 11, 22 vorgesehen.
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Das
ein Verzögerungsmodul 90,
das auf dem Verzögerungsmodul 10 nach
den 4 bis 6 basiert, umfasst weiter eine
optische Umsetzanordnung 84 der vorstehend beschriebenen
Art. Sie ist als planparalleler, beidseitig (Bezugszeichen 86, 88)
reflektierender Spiegel ausgeführt.
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Ausgehend
von der Einkoppelfläche 18 wird
der einfallende Lichtstrahl 11 in die Verzögerungsstrecke des
Verzögerungsmoduls 81 eingekoppelt.
Von der Einkoppelfläche 18 läuft der
Lichtstrahl 11 zur Stelle a auf dem ersten Spiegel 12,
wird dort zu der Stelle b auf den zweiten Spiegel 14 reflektiert,
von dort zur Stelle x auf der ersten Seite 86 des Planspiegels 84.
An diesem ebenen Planspiegel 84 wird der Lichtstrahl 11 in
Richtung des zweiten Spiegels 14 rückreflektiert. Dort trifft
er an der Stelle c auf, wird zur Stelle d auf dem ersten Spiegel 12 reflektiert,
von dort zu der Stelle e auf dem zweiten Spiegel 14, weiter
zu der Stelle f auf dem ersten Spiegel 12 und trifft schließlich an
der Stelle y auf die zweite Seite 88 des Planspiegels 84.
Durch dortige Rückreflexion läuft der
Lichtstrahl 11 wieder in Richtung des ersten Spiegels 12,
wo er an der Stelle g auftrifft. Von dort läuft der Lichtstrahl 11 zur
Stelle h auf dem zweiten Spiegel 14, und trifft anschließend auf
die Auskoppelfläche 20, wo
er als Strahl 22 ausgekoppelt wird. Auch hier ist der ausgekoppelte
Strahl 22 hinsichtlich Größe und Form gegenüber dem
eingekoppelten Strahl 11 unverändert.
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Wesentliche
Vorteile der Verwendung eines beidseitig reflektierenden Planspiegels 84 sind:
- – eine
praktisch unbegrenzte Zahl von Designoptionen, von denen die beiden
oben gezeigten wirklich nur sehr exemplarisch sind;
- – einfache
Fertigbarkeit;
- – sehr
geringe Sensitivität
auf die genaue Lage des Spiegels, damit eine sehr einfache und unkritische
Justage;
- – der
Spiegel kann sowohl als total reflektierender Spiegel (wie in den
Ausführungsbeispielen
nach den 7 und 8 dargestellt
und oben beschrieben) als auch als teilreflektierender Spiegel (Strahlteiler) ausgeführt werden,
wodurch sich die Möglichkeit
ergibt, eine bessere Glättung
des erzeugten Pulses zu erreichen (entspricht der Ineinanderschachtelung
zweier Pulsverzögerungsmodule)
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- 10
- Verzögerungsmodul
- 11
- Lichtstrahl
- 12
- erster
Spiegel
- 14
- zweiter
Spiegel
- 16
- Symmetrieachse
- 18
- Einkoppelfläche
- 20
- Auskoppelfläche
- 22
- Pfeil
- 80
- Pulsvervielfachungs-
und -streckungsmodul
- 82
- Verzögerungsmodul
- 84
- Umsetzanordnung
- 86
- erste
Seite
- 88
- zweite
Seite
- 90
- Verzögerungsmodul
- 96
- Strahlteilerfläche
- 98
- Strahlvereinigungsfläche
- D
- Spiegelabstand
- F
- Brennpunkt
- a
- Stelle
- b
- Stelle
- c
- Stelle
- d
- Stelle
- e
- Stelle
- f
- Stelle
- g
- Stelle
- h
- Stelle
- fB
- Brennweite
- fW
- Wellenfrontfehler
- r1
- Spiegelradius
- r2
- Spiegelradius
- ds
- Strahlabstand
- δ
- Eingangsstrahldurchmesser