DE102008005219A1 - Apparatus for shaping a light beam and method for producing such a device - Google Patents

Apparatus for shaping a light beam and method for producing such a device Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls, umfassend eine erste refraktive Fläche (2), durch die der zu formende Lichtstrahl hindurchtreten kann, wobei die erste refraktive Fläche (2) derart gestaltet ist, dass sie in einem vorgegebenen Bereich in Ausbreitungsrichtung (Z) hinter der ersten refraktiven Fläche (2) eine Intensitätsverteilung (5) in Querrichtung des Lichtstrahls erzeugen kann, die einer gewünschten Intensitätsverteilung (6) im Wesentlichen entspricht, sowie eine zweite refraktive Fläche (4), durch die der zu formende Lichtstrahl nach dem Hindurchtritt durch die erste refraktive Fläche (2) hindurchtreten kann, wobei die zweite refraktive Fläche (4) in dem Bereich in Ausbreitungsrichtung (Z) hinter der ersten refraktiven Fläche (2) angeordnet ist, in dem diese die gewünschte Intensitätsverteilung (5) erzeugen kann, und wobei die zweite refraktive Fläche (4) derart gestaltet ist, dass sie die Wellenfront des Lichtstrahls begradigen kann, so dass die gewünschte Intensitätsverteilung (6) in einer Arbeitsebene, die in Ausbreitungsrichtung (Z) hinter der zweiten refraktiven Fläche (4) angeordnet ist, erzeugt werden kann, wobei in der Arbeitsebene die Wellenfront des Lichtstrahls vergleichsweise flach ist.Apparatus for shaping a light beam, comprising a first refractive surface (2) through which the light beam to be formed can pass, wherein the first refractive surface (2) is designed such that it lies behind the first one in a predetermined region in the propagation direction (Z) refractive surface (2) can produce an intensity distribution (5) in the transverse direction of the light beam substantially corresponding to a desired intensity distribution (6), and a second refractive surface (4) through which the light beam to be formed after passing through the first refractive Surface (2) can pass, wherein the second refractive surface (4) in the region in the propagation direction (Z) behind the first refractive surface (2) is arranged, in which this can produce the desired intensity distribution (5), and wherein the second Refractive surface (4) is designed such that it can straighten the wavefront of the light beam, so that the desired Intensity distribution (6) in a working plane, which in the propagation direction (Z) behind the second refractive surface (4) is arranged, can be generated, wherein in the working plane, the wavefront of the light beam is relatively flat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.The The present invention relates to a device for shaping a light beam and a method of manufacturing such a device.

Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist.definitions: In the propagation direction of the laser radiation means mean propagation direction the laser radiation, especially if this is not a plane wave or at least partially divergent. With light beam, partial beam or ray is, unless otherwise stated, not an idealized ray of geometric optics meant, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile that has no infinitesimal small, but an extended beam cross section having.

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls. Auf diese Vorrichtung trifft von links beziehungsweise negativer Z-Richtung ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil 11. Die Vorrichtung umfasst eine Powelllinse 12 und eine Fourierlinse 13. Die Powelllinse 12 erzeugt eine Feldverteilung, die im Fernfeld eine Intensitätsverteilung bilden kann, die einer so genannten Top-Hat- oder Flat-Top-Verteilung entspricht. Die Fourierlinse 13 transformiert die Fernfeldverteilung in eine konkrete Intensitätsverteilung 14 in einer Arbeitsebene. Die Arbeitsebene ist dabei in der ausgangsseitigen Brennebene (siehe Brennweite F) der Fourierlinse 14 angeordnet. Die Intensitätsverteilung 14 in der Arbeitsebene entspricht einer Top-Hat-Verteilung. 1 shows a device known from the prior art for shaping a light beam. A laser beam with a Gaussian profile strikes this device from the left or negative Z direction 11 , The device comprises a Powell lens 12 and a Fourier lens 13 , The Powell lens 12 creates a field distribution that can form an intensity distribution in the far field that corresponds to a so-called top-hat or flat-top distribution. The Fourier lens 13 transforms the far field distribution into a concrete intensity distribution 14 in a work plane. The working plane is in the output side focal plane (see focal length F) of the Fourier lens 14 arranged. The intensity distribution 14 in the working level corresponds to a top hat distribution.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die Tatsache, dass die Wellenfront des Laserstrahls in der Arbeitsebene stark gekrümmt ist.adversely In this device is the fact that the wavefront of the Laser beam is strongly curved in the working plane.

Aufgrund dieser starken Krümmung liegt in Ausbreitungsrichtung Z des Laserstrahls nur in einem sehr engen Bereich (± Δz) um die Arbeitsebene herum eine Top-Hat-Verteilung vor. Weiterhin ist die Top-Hat-Verteilung aufgrund der scharfen Ränder sehr instabil und unterliegt starken Beugungseffekten.by virtue of this strong curvature lies in the propagation direction Z of the laser beam only in a very narrow range (± Δz) around the Work around a top hat distribution. Furthermore, the top hat distribution because of the sharp edges very much unstable and subject to strong diffraction effects.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die in einem größeren Bereich um die Arbeitsebene herum eine vorgegebene Feldverteilung beziehungsweise Intensitätsverteilung aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung angegeben werden.The The problem underlying the present invention is the creation a device of the type mentioned, in a larger area around the work plane around a given field distribution or intensity distribution having. Furthermore, a method for producing such a Device can be specified.

Dies wird hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This is with respect to the device by a device of the above mentioned type with the features of claim 1 and in terms the method by a method of the type mentioned with reached the features of claim 5. The dependent claims relate preferred embodiments of the invention.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine erste refraktive Fläche umfasst, durch die der zu formende Lichtstrahl hindurch treten kann, wobei die erste refraktive Fläche derart gestaltet ist, dass sie in einem vorgegebenen Bereich in Ausbreitungsrichtung hinter der ersten refraktiven Fläche eine Intensitätsverteilung in Querrichtung des Lichtstrahls erzeugen kann, die einer gewünschten Intensitätsverteilung im Wesentlichen entspricht, wobei die Vorrichtung weiterhin eine zweite refraktive Fläche umfasst, durch die der zu formende Lichtstrahl nach dem Hindurchtritt durch die erste refraktive Fläche hindurch treten kann, wobei die zweite refraktive Fläche in dem Bereich in Ausbreitungsrichtung hinter der ersten refraktiven Fläche angeordnet ist, in dem diese die gewünschte Intensitätsverteilung erzeugen kann, und wobei die zweite refraktive Fläche derart gestaltet ist, dass sie die Wellenfront des Lichtstrahls begradigen kann, so dass die gewünschte Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene, die in Ausbreitungsrichtung hinter der zweiten refraktiven Fläche angeordnet ist, erzeugt werden kann, wobei in der Arbeitsebene die Wellenfront des Lichtstrahls vergleichsweise flach ist. Durch die vergleichsweise flache Wellenfront wird erreicht, dass in einem größeren Bereich um die Arbeitsebene herum die gewünschte Feldverteilung beziehungsweise Intensitätsverteilung vorliegt.According to claim 1, it is provided that the device comprises a first refractive surface the light beam to be formed can pass through, wherein the first refractive surface is designed such that it is in a predetermined range in the propagation direction behind the first refractive surface an intensity distribution in the transverse direction of the light beam, which can produce a desired intensity distribution corresponds substantially, wherein the device further comprises a second refractive surface comprises, through which the light beam to be formed after passing through the first refractive surface can pass through, wherein the second refractive surface in the Range is arranged in the propagation direction behind the first refractive surface, in which these the desired Create intensity distribution can, and wherein the second refractive surface is designed such that she can straighten the wavefront of the light beam so that the desired intensity distribution in a working plane, in the propagation direction behind the second refractive surface is arranged, can be produced, wherein in the working plane the Wavefront of the light beam is comparatively flat. By the comparatively flat wavefront is achieved that in one larger area around the work plane the desired field distribution or intensity distribution is present.

Es kann vorgesehen sein, dass die gewünschte Intensitätsverteilung einer Multi-Gauß-Verteilung entspricht. Eine derartige Verteilung ist wesentlich stabiler und unterliegt keinen starken Beugungseffekten.It can be provided that the desired intensity distribution a multi-Gaussian distribution equivalent. Such a distribution is much more stable and is not subject to strong diffraction effects.

Das Verfahren gemäß Anspruch 5 sieht folgende Verfahrensschritte vor:

  • – Berechnen mindestens einer refraktiven Fläche, die in einer Arbeitsebene eine vorgegebene Intensitäts- und/oder Feldverteilung des zu formenden Lichtstrahls erzeugen kann, wobei die Berechnung auf Basis der Wellenoptik durchgeführt wird,
  • – Fertigen der mindestens einen berechneten refraktiven Fläche.
The method according to claim 5 provides the following method steps:
  • Calculating at least one refractive surface, which in a working plane can generate a predetermined intensity and / or field distribution of the light beam to be formed, the calculation being performed on the basis of the wave optics,
  • - manufacture the at least one calculated refractive surface.

Auf diese Weise kann eine Vorrichtung geschaffen werden, die exakt die gewünschte Verteilung in der Arbeitsebene erzeugt.On In this way, a device can be created which is exactly the same desired Distribution generated in the working plane.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther Features and advantages of the present invention will become apparent with reference to the following description of preferred embodiments with reference to the attached figures. Show in it

1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic side view of an apparatus for forming a light beam according to the prior art;

2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls. 2 a schematic side view of an apparatus according to the invention for shaping a light beam.

In den Figuren sind zur besseren Orientierung kartesische Koordinatensysteme eingezeichnet.In The figures are for better orientation Cartesian coordinate systems located.

Auf die erfindungsgemäße Vorrichtung (siehe 2) trifft von links beziehungsweise negativer Z-Richtung ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil 11. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Substrat 1 mit einer ersten refraktiven Fläche 2 auf der Austrittsseite und ein zweites Substrat 3 mit einer zweiten refraktiven Fläche 4 auf der Austrittsseite. Die Eintrittsseiten der Substrate 1, 3 können plan oder gekrümmt ausgebildet sein. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel sind sie leicht konvex gekrümmt, so dass sie ebenfalls als refraktive Flächen dienen und zu der Formung des Lichtstrahls beitragen. Auf die Eintrittsseiten der Substrate 1, 3 wird jedoch im Nachfolgenden nicht näher eingegangen.On the device according to the invention (see 2 ) hits a laser beam with a Gaussian profile from the left or negative Z direction 11 , The device comprises a first substrate 1 with a first refractive surface 2 on the exit side and a second substrate 3 with a second refractive surface 4 on the exit side. The entry sides of the substrates 1 . 3 can be designed plan or curved. In the illustrated embodiment, they are slightly convexly curved so that they also serve as refractive surfaces and contribute to the shaping of the light beam. On the entry sides of the substrates 1 . 3 but will not be discussed further below.

Die erste refraktive Fläche 2 erzeugt im Bereich des zweiten Substrats 3 eine Intensitätsverteilung 5, die im wesentlichen der gewünschten Intensitätsverteilung entspricht. Es handelt sich bei der gewünschten Intensitätsverteilung um eine so genannte Multi-Gauß-Verteilung, die einer Aufintegration einer Vielzahl von in X-Richtung nebeneinander angeordneten Gauß-Verteilungen entspricht. Eine derartige Multi-Gauß-Verteilung weist ein Plateau auf, das dem einer Top-Hat-Verteilung entspricht. Allerdings fallen die Flanken nicht unendlich steil von 1 auf 0 ab, sondern weisen eine endliche Steilheit auf.The first refractive surface 2 generated in the region of the second substrate 3 an intensity distribution 5 which substantially corresponds to the desired intensity distribution. The desired intensity distribution is a so-called multi-Gaussian distribution, which corresponds to an integration of a multiplicity of Gaussian distributions arranged next to one another in the X direction. Such a multi-Gaussian distribution has a plateau corresponding to that of a top-hat distribution. However, the flanks do not drop infinitely steeply from 1 to 0, but have a finite steepness.

Die zweite refraktive Fläche 4 korrigiert die Wellenfront des Laserstrahls derart, dass in der Arbeitsebene die gewünschte Intensitätsverteilung 6 mit einer flachen Wellenfront entsteht. Die Intensitätsverteilung 6 in der Arbeitsebene entspricht einer Multi-Gauß-Verteilung.The second refractive surface 4 corrects the wavefront of the laser beam such that the desired intensity distribution in the work plane 6 created with a flat wavefront. The intensity distribution 6 in the work plane corresponds to a multi-Gaussian distribution.

Es besteht die Möglichkeit, dass die beiden refraktiven Flächen 2, 4 auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, wobei die erste refraktive Fläche 2 die Eintrittsfläche und die zweite refraktive Fläche 4 die Austrittsfläche ist.There is a possibility that the two refractive surfaces 2 . 4 are arranged on a common substrate, wherein the first refractive surface 2 the entrance surface and the second refractive surface 4 the exit surface is.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dadurch hergestellt werden, dass ausgehend von der gewünschten Intensitätsverteilung die Oberflächentopologien der ersten und der zweiten refraktiven Flächen 2, 4 berechnet werden, wobei als Basis dieser Berechnung Wellengleichungen dienen. Dabei kann ein Optimierungs-Algorithmus verwendet werden, der insbesondere ein genetischer Algorithmus sein kann. Der Optimierungs-Algorithmus kann durch Einflussnahme auf die Topologie der refraktiven Flächen 2, 4 die Steilheit der Flanken der gewünschten Intensitätsverteilung und/oder die Länge des Bereichs in Z-Richtung, in dem sich die Intensitätsverteilung nicht oder nur unwesentlich ändert, optimieren. Weiterhin kann eine Optimierung der Homogenität und/oder der maximalen Intensität des Laserstrahls in der Arbeitsebene durchgeführt werden.The device according to the invention can be produced by starting from the desired intensity distribution the surface topologies of the first and second refractive surfaces 2 . 4 are calculated using wave equations as the basis of this calculation. In this case, an optimization algorithm can be used, which in particular can be a genetic algorithm. The optimization algorithm can be influenced by influencing the topology of the refractive surfaces 2 . 4 the steepness of the flanks of the desired intensity distribution and / or the length of the region in the Z-direction, in which the intensity distribution does not change, or only insignificantly, optimize. Furthermore, an optimization of the homogeneity and / or the maximum intensity of the laser beam in the working plane can be performed.

Claims (10)

Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls, umfassend – mindestens eine erste refraktive Fläche (2), durch die der zu formende Lichtstrahl hindurch treten kann, wobei die erste refraktive Fläche (2) derart gestaltet ist, dass sie in einem vorgegebenen Bereich in Ausbreitungsrichtung (Z) hinter der ersten refraktiven Fläche (2) eine Intensitätsverteilung (5) in Querrichtung des Lichtstrahls erzeugen kann, die einer gewünschten Intensitätsverteilung (6) im Wesentlichen entspricht, sowie – mindestens eine zweite refraktive Fläche (4), durch die der zu formende Lichtstrahl nach dem Hindurchtritt durch die erste refraktive Fläche (2) hindurch treten kann, wobei die zweite refraktive Fläche (4) in dem Bereich in Ausbreitungsrichtung (Z) hinter der ersten refraktiven Fläche (2) angeordnet ist, in dem diese die gewünschte Intensitätsverteilung (5) erzeugen kann, und wobei die zweite refraktive Fläche (4) derart gestaltet ist, dass sie die Wellenfront des Lichtstrahls begradigen kann, so dass die gewünschte Intensitätsverteilung (6) in einer Arbeitsebene, die in Ausbreitungsrichtung (Z) hinter der zweiten refraktiven Fläche (4) angeordnet ist, erzeugt werden kann, wobei in der Arbeitsebene die Wellenfront des Lichtstrahls vergleichsweise flach ist.Device for shaping a light beam, comprising - at least one first refractive surface ( 2 ) through which the light beam to be formed can pass, wherein the first refractive surface ( 2 ) is designed in such a way that, in a predetermined region in the propagation direction (Z), it is located behind the first refractive surface (Z). 2 ) an intensity distribution ( 5 ) in the transverse direction of the light beam which corresponds to a desired intensity distribution ( 6 ) substantially, and - at least one second refractive surface ( 4 ), through which the light beam to be formed after passing through the first refractive surface ( 2 ), wherein the second refractive surface ( 4 ) in the region in the propagation direction (Z) behind the first refractive surface ( 2 ) is arranged, in which this the desired intensity distribution ( 5 ), and wherein the second refractive surface ( 4 ) is designed so that it can straighten the wavefront of the light beam, so that the desired intensity distribution ( 6 ) in a working plane, which in the propagation direction (Z) behind the second refractive surface ( 4 ), can be generated, wherein in the working plane, the wavefront of the light beam is relatively flat. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Intensitätsverteilung (6) einer Multi-Gauß-Verteilung entspricht.Device according to claim 1, characterized in that the desired intensity distribution ( 6 ) corresponds to a multi-Gaussian distribution. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein erstes Substrat (1) und ein zweites, von dem ersten verschiedenes, und vorzugsweise beabstandetes, Substrat (3) umfasst, wobei die erste refraktive Fläche (2) auf dem ersten Substrat (1) und die zweite refraktive Fläche (4) auf dem zweiten Substrat (3) angeordnet sind.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the device comprises a first substrate ( 1 ) and a second, different from the first, and preferably spaced, substrate ( 3 ), wherein the first refractive surface ( 2 ) on the first substrate ( 1 ) and the second refractive surface ( 4 ) on the second substrate ( 3 ) are arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Substrat umfasst, auf dem die erste refraktive Fläche (2) und die zweite refraktive Fläche (4) angeordnet sind.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the device comprises a substrate, on which the first refractive surface ( 2 ) and the second refractive surface ( 4 ) are arranged. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Formung eines Lichtstrahls, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Berechnen mindestens einer refraktiven Fläche (2, 4), die in einer Arbeitsebene eine vorgegebene Intensitäts- und/oder Feldverteilung (6) des zu formenden Lichtstrahls erzeugen kann, wobei die Berechnung auf Basis der Wellenoptik durchgeführt wird, – Fertigen der mindestens einen berechneten refraktiven Fläche (2, 4).Method for producing a device for shaping a light beam, characterized by the following method steps: calculating at least one refractive surface ( 2 . 4 ), which in a working plane has a predetermined intensity and / or field distribution ( 6 ) of the light beam to be formed, wherein the calculation is performed on the basis of the wave optics, - producing the at least one calculated refractive surface ( 2 . 4 ). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Optimierungs-Algorithmus für die Berechnung der mindestens einen refraktiven Fläche (2, 4) genutzt wird.Method according to claim 5, characterized in that an optimization algorithm for the calculation of the at least one refractive surface ( 2 . 4 ) is being used. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungs-Algorithmus ein genetischer Algorithmus ist.Method according to Claim 6, characterized that the optimization algorithm is a genetic algorithm. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungs-Algorithmus zur Optimierung, insbesondere zur Maximierung der Steilheit der Flanken der Intensitätsverteilung (6) in der Arbeitsebene verwendet wird.Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that the optimization algorithm for optimizing, in particular for maximizing the steepness of the edges of the intensity distribution ( 6 ) is used in the work plane. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungs-Algorithmus zur Optimierung, insbesondere zur Maximierung der Intensität und/oder der Homogenität in einem vorgegebenen Bereich der Arbeitsebene verwendet wird.Method according to one of claims 6 to 8, characterized that the optimization algorithm for optimization, in particular to maximize intensity and / or homogeneity is used in a given area of the work plane. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.Method according to one of claims 5 to 9, characterized in that the device comprises a device according to one of claims 1 to 4 is.
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