DE102008017947A1

DE102008017947A1 - Homogenizing system for partially coherent laser light comprises lens array splitting light into several beams and lens in Fourier configuration which focuses them so that they interfere to produce diffraction patterns

Info

Publication number: DE102008017947A1
Application number: DE200810017947
Authority: DE
Inventors: Aleksei Mikhailov
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Limo GmbH
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2009-10-15

Abstract

The system for homogenizing partially or wholly coherent laser light comprises a lens array (21, 22) containing several lenses (24, 25). These split the light into several beams (26) and an additional lens (23) in a Fourier configuration focuses them in a working zone (27) so that they interfere to produce diffraction patterns. A deflection system (28) in the system produces diffraction patterns which satisfy the relationship: N >= lambda /delta lambda , where N is the number of diffraction systems, lambda the wavelength of the laser light to be homogenized and delta lambda the breadth of the spectrum of the light. Independent claims are included for: (A) systems comprising a laser and the homogenizing system; and (B) a method for homogenizing partially or wholly coherent laser light using it.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21 sowie ein Verfahren zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 24.The The present invention relates to a device for homogenization at least partially coherent laser light according to The preamble of claim 1, an arrangement for homogenizing at least partially coherent laser light according to The preamble of claim 21 and a method for homogenization at least partially coherent laser light according to The preamble of claim 24.

Definitionen: In Ausbreitungsrichtung des zu beeinflussenden Lichts meint die mittlere Ausbreitungsrichtung des Lichts, insbesondere wenn dieses 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, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mittenabstand (Pitch) meint den Abstand der Mitten der Linsen eines Arrays zueinander in der Richtung, in der die Linsen in dem Array nebeneinander angeordnet sind.definitions: In propagation direction of the light to be influenced means the mean propagation direction of the light, especially if this no plane wave is or at least partially divergent. With light beam, Partial beam or beam is, if not expressly different is not an idealized ray of geometric optics meant, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile that does not have infinitesimal small, but has an extended beam cross-section. center distance (Pitch) means the distance of the centers of the lenses of an array to each other in the direction in which the lenses in the array are juxtaposed are.

Aus der DE 101 39 355 A1 sind eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren der vorgenannten Art bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung umfasst zwei in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts hintereinander angeordnete Zylinderlinsenarrays, die das Laserlicht in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufspalten. Diese Teilstrahlen werden von einer in einer Fourieranordnung positionierten Linse in einer Arbeitsebene überlagert. Die Überlagerung der einzelnen Teilstrahlen in der Arbeitsebene kann zu Interferenzeffekten führen, die eine unerwünschte Strukturierung der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene verursachen können.From the DE 101 39 355 A1 are known a device, an arrangement and a method of the aforementioned type. The device described therein comprises two cylindrical lens arrays arranged one behind the other in the propagation direction of the laser light, which split the laser light into a plurality of partial beams. These partial beams are superimposed by a lens positioned in a Fourier arrangement in a working plane. The superposition of the individual partial beams in the working plane can lead to interference effects, which can cause an undesirable structuring of the intensity distribution in the working plane.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung und einer Anordnung der eingangs genannten Art sowie die Angabe eines Verfahren der eingangs genannten Art, die eine homogenere Intensitätsverteilung bewirken können.The The problem underlying the present invention is the creation a device and an arrangement of the type mentioned and the indication of a method of the type mentioned, which can cause a more homogeneous intensity distribution.

Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Anordnung durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 21 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 24 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This is according to the invention in terms of the device by a device of the type mentioned above with the characterizing Characteristics of claim 1, with regard to the arrangement by a Arrangement of the type mentioned above with the characterizing features of claim 21 and with respect to the method by a method of initially mentioned type with the characterizing features of the claim 24 reached. The dependent claims relate to preferred embodiments of Invention.

Anspruch 1 sieht vor, dass die Vorrichtung Ablenkmittel umfasst, die das Laserlicht vor, nach oder während des Hindurchtritts durch das mindestens eine Linsenarray derart ablenken können, dass in dem Arbeitsbereich zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt:

wobei N die Nummer der Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist. Durch die Überlappung höherer Beugungsordnungen wird die Intensitätsverteilung in dem Arbeitsbereich homogener.Claim 1 provides that the device comprises deflection means which can deflect the laser light before, after or during the passage through the at least one lens array in such a way that at least predominantly diffraction orders overlap in the working area, for which the following applies:

where N is the number of the diffraction order, λ is the wavelength of the laser light to be homogenized and Δλ is the spectral width of the laser light to be homogenized. The overlap of higher orders of diffraction makes the intensity distribution in the working area more homogeneous.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ablenkmittel derart gestaltet und/oder in der Vorrichtung angeordnet sind, dass die Ausbreitungsrichtung der nullten Beugungsordnung der Mehrzahl von Teilstrahlen nach der Ablenkung durch die Ablenkmittel mit der Einfallsrichtung des Laserlichts auf das Linsenarray einen Winkel α einschließt, für den gilt:

wobei λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts, Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts und d der Mittenabstand der Linsen des mindestens einen Linsenarrays ist. Durch eine Ablenkung um einen derartigen Winkel kann erreicht werden, dass in dem Arbeitsbereich überwiegend hohe Beugungsordnungen auftreffen, so dass die erzielte Intensitätsverteilung sehr homogen ist.It can be provided that the deflection means are designed and / or arranged in the device such that the propagation direction of the zeroth diffraction order of the plurality of partial beams after deflection by the deflection means with the direction of incidence of the laser light on the lens array includes an angle α, for the applies:

where λ is the wavelength of the laser light to be homogenized, Δλ is the spectral width of the laser light to be homogenized and d is the center distance of the lenses of the at least one lens array. By means of a deflection at such an angle, it is possible to achieve predominantly high diffraction orders in the work area, so that the intensity distribution achieved is very homogeneous.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ablenkmittel eine Mehrzahl von Ablenkelementen umfassen, wobei dabei insbesondere die Ablenkmittel derart gestaltet und/oder angeordnet sein können, dass jeweils eines der Ablenkelemente einen der Teilstrahlen ablenkt bevor die Teilstrahlen überlappen. Die Maßnahme trägt dazu bei, dass in den Arbeitsbereich lediglich die vorgenannten höheren Beugungsordnungen gelangen, nicht jedoch die niedrigeren Beugungsordnungen, die zu einer inhomogeneren Verteilung führen würden.Farther it can be provided that the deflection means comprise a plurality of deflection elements, wherein in particular the deflection means designed and / or can be arranged, that in each case one of the deflection elements deflects one of the sub-beams before the sub-beams overlap. The measure contributes to the work area only reach the aforementioned higher diffraction orders, not, however, the lower orders of diffraction leading to a more inhomogeneous one Distribution would lead.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Ablenkelemente in das mindestens eine Linsenarray integriert sind. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kostengünstig gefertigt werden, wobei gleichzeitig die Anzahl der optisch funktionalen Flächen und damit die Verluste minimiert werden.It There is still the possibility that the baffles are integrated in the at least one lens array. In this way a device according to the invention can be manufactured very inexpensively, where at the same time the number of optically functional surfaces and thus the losses are minimized.

Beispielsweise können dabei die Ablenkelemente durch einen Versatz der Linsen des ersten Linsenarrays in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts gegenüber den Linsen des zweiten Linsenarrays realisiert werden.For example, in this case, the deflection elements can be offset by an offset of the lenses of the first lens array in a direction perpendicular to the propagation direction of the laser light with respect to the lenses of the second lens array can be realized.

Gemäß Anspruch 21 umfasst die Anordnung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts neben einer Laserlichtquelle eine erfindungsgemäße Vorrichtung.According to claim 21 comprises the arrangement for homogenization at least partially coherent laser light adjacent to a laser light source inventive device.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle Laserlicht mit einer Beugungsmaßzahl M² größer 1, insbesondere größer 10 ausgeben kann.It can be provided that the laser light source can output laser light with a diffraction factor M ² greater than 1, in particular greater than 10.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das Laserlicht der Laserlichtquelle eine spektrale Breite aufweist, für die gilt:

wobei Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und d der Mittenabstand der Linsen des mindestens einen Linsenarrays ist. Sowohl durch die Vergrößerung der Beugungsmaßzahl M² beziehungsweise die Erhöhung der Anzahl der transversalen Moden, als auch durch Vergrößerung der spektralen Breite des Laserlichts wird durch die Überlagerung in dem Arbeitsbereich eine homogenere Intensitätsverteilung erzielt.Furthermore, there is the possibility that the laser light of the laser light source has a spectral width, for which the following applies:

where Δλ is the spectral width of the laser light to be homogenized, λ is the wavelength of the laser light to be homogenized and d is the center distance of the lenses of the at least one lens array. Both by increasing the diffraction index M ² or increasing the number of transverse modes, as well as by increasing the spectral width of the laser light is achieved by the superposition in the work area a more homogeneous intensity distribution.

Das Verfahren gemäß Anspruch 24 sieht vor, dass die Mehrzahl von Teilstrahlen vor der Überlagerung in dem Arbeitsbereich derart abgelenkt werden, dass in dem Arbeitsbereich zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt:

wobei N die Nummer der Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist.The method according to claim 24 provides that the plurality of partial beams are deflected before superimposition in the working area in such a way that at least predominantly diffraction orders in the working area overlap, for which the following applies:

where N is the number of the diffraction order, λ is the wavelength of the laser light to be homogenized and Δλ is the spectral width of the laser light to be homogenized.

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 Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic side view of an apparatus for homogenizing at least partially coherent laser light according to the prior art;

2 die gaußförmige Intensitätsverteilung eines monochromatischen Laserstrahls, der eine einzige transversale Mode aufweist (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 2 the Gaussian intensity distribution of a monochromatic laser beam having a single transverse mode (intensity in arbitrary units versus an X coordinate in mm);

3 die Intensitätsverteilung des Laserstrahls gemäß 2 nach Hindurchtritt durch eine Vorrichtung gemäß 1 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 3 the intensity distribution of the laser beam according to 2 after passing through a device according to 1 (Intensity in arbitrary units against an X coordinate in mm);

4 ein Detail der Intensitätsverteilung gemäß 3 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 4 a detail of the intensity distribution according to 3 (Intensity in arbitrary units against an X coordinate in mm);

5 die Überlagerung höherer Beugungsordnungen eines Laserstrahls mit einer spektralen Breite von Δλ = 0,25 nm (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 5 the superposition of higher diffraction orders of a laser beam with a spectral width of Δλ = 0.25 nm (intensity in arbitrary units against an X-coordinate in mm);

6 die Intensitätsverteilung eines monochromatischen Laserstrahls, der mehrere transversale Moden aufweist (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 6 the intensity distribution of a monochromatic laser beam having multiple transverse modes (intensity in arbitrary units versus an X coordinate in mm);

7 die Intensitätsverteilung des Laserstrahls gemäß 6 nach Hindurchtritt durch eine Vorrichtung gemäß 1 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 7 the intensity distribution of the laser beam according to 6 after passing through a device according to 1 (Intensity in arbitrary units against an X coordinate in mm);

8 die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls mit einer spektralen Breite von Δλ = 0,25 nm, der mehrere transversale Moden aufweist (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 8th the intensity distribution of a laser beam having a spectral width of Δλ = 0.25 nm having a plurality of transverse modes (intensity in arbitrary units versus an X coordinate in mm);

9 die Überlagerung höherer Beugungsordnungen eines Laserstrahls gemäß 8 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm); 9 the superposition of higher diffraction orders of a laser beam according to 8th (Intensity in arbitrary units against an X coordinate in mm);

10 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts; 10 a schematic side view of a first embodiment of a device according to the invention for homogenizing at least partially coherent laser light;

11 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts; 11 a schematic side view of a second embodiment of a device according to the invention for homogenizing at least partially coherent laser light;

12 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts; 12 a schematic side view of a third embodiment of a device according to the invention for homogenizing at least partially coherent laser light;

13 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts. 13 a schematic side view of a fourth embodiment of a device according to the invention for homogenizing at least partially coherent laser light.

In einigen der Figuren ist zur besseren Übersichtlichkeit ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.In Some of the figures are for clarity a Cartesian coordinate system drawn.

Aus 1 ist eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht gemäß dem Stand der Technik ersichtlich. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Linsenarrays 1, 2 und einer Linse 3, die in einer Fourieranordnung positioniert ist. Die Linsenarrays 1, 2 sind auf einem Substrat angeordnet und umfassen beispielsweise jeweils 14 in X-Richtung nebeneinander angeordnete Linsen 4, 5, die jeweils eine Brennweite f = 100 mm und einen Mittenabstand (Pitch) d = 2 mm aufweisen. Die Linsen 4, 5 können Zylinderlinsen oder sphärische Linsen sein. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 1 lediglich 6 der 14 Linsen 4, 5 dargestellt. Der Abstand der beiden Linsearrays in Z-Richtung entspricht der Brennweite f der Linsen 4, 5.Out 1 a device for homogenizing laser light according to the prior art is apparent. This device consists of two lens arrays 1 . 2 and a lens 3 which is positioned in a Fourier arrangement. The lens arrays 1 . 2 are arranged on a substrate and include, for example, each 14 in the X direction juxtaposed lenses 4 . 5 , each having a focal length f = 100 mm and a pitch (d = 2 mm). The lenses 4 . 5 can be cylindrical lenses or spherical lenses. For better clarity are in 1 only 6 of the 14 lenses 4 . 5 shown. The distance between the two lens arrays in the Z direction corresponds to the focal length f of the lenses 4 . 5 ,

Auf die Vorrichtung soll in positiver Z-Richtung beziehungsweise von links in 1 ein monochromatischer Laserstrahl mit einem Gauß-Profil und mit einer Wellenlänge λ = 500 nm auftreffen. Der Strahlradius soll 2w = 16 mm sein. Die Intensitätsverteilung eines derartigen Laserstrahls am Eingang des Linsenarrays 1 ist in 2 dargestellt.On the device should in the positive Z-direction or from the left in 1 a monochromatic laser beam with a Gaussian profile and with a wavelength λ = 500 nm. The beam radius should be 2w = 16 mm. The intensity distribution of such a laser beam at the entrance of the lens array 1 is in 2 shown.

Durch die Linsenarrays 1, 2 wird der Laserstrahl in 14 zueinander kohärente Teilstrahlen 6 aufgeteilt, die von der Linse 3 in einem Arbeitsbereich 7 überlagert werden. Dazu weist die Linse 3 eine Brennweite F = 400 mm auf. Das zweite Linsenarray 2 ist in positiver Z-Richtung 400 mm von der Linse 3 entfernt und befindet sich somit in dessen vorderer Brennebene. Der Arbeitsbereich 7 ist in negativer Z-Richtung 400 mm von der Linse 3 entfernt und befindet sich somit in dessen hinterer Brennebene (siehe 1).Through the lens arrays 1 . 2 the laser beam becomes 14 coherent partial beams 6 split by the lens 3 in a workspace 7 be superimposed. This is indicated by the lens 3 a focal length F = 400 mm. The second lens array 2 is 400 mm from the lens in the positive Z direction 3 removed and is thus located in the front focal plane. The workspace 7 is 400 mm from the lens in the negative Z direction 3 removed and is thus located in the rear focal plane (see 1 ).

In 3 ist die Intensitätsverteilung des Laserlichts im Fernfeld beziehungsweise in dem Arbeitsbereich 7 dargestellt. 4 zeigt die Mitte der Intensitätsverteilung. Das Feld ist aufgrund der Kohärenz der Teilstrahlen in mehrere Beugungsordnungen 8_–1 , 8₀ , 8₁ geteilt. Die X-Koordinate des Maximums mit der Beugungsordnung N kann wie folgt ausgerechnet werden:

In 3 is the intensity distribution of the laser light in the far field or in the work area 7 shown. 4 shows the center of the intensity distribution. The field is due to the coherence of the partial beams in several diffraction orders 8 _-1 . 8 ₀ . 8 ₁ divided. The X-coordinate of the maximum with the diffraction order N can be calculated as follows:

Damit finden sich mit F = 400 mm, d = 2 mm und λ = 500 nm bei X = –0,1 mm die minus erste Beugungsordnung 8_–1 und bei X = 0,1 mm die erste Beugungsordnung 8₁ (siehe 4).Thus, with F = 400 mm, d = 2 mm and λ = 500 nm, the minus first diffraction order is found at X = -0.1 mm 8 _-1 and at X = 0.1 mm, the first diffraction order 8 ₁ (please refer 4 ).

Unter Berücksichtigung dieser Gleichung wird weiterhin ein Abschnitt der Fernfeldverteilung im Bereich höherer Beugungsordnungen (N >> 1) betrachtet. Dabei wird angenommen, dass die spektrale Breite des Laserstrahles Δλ = 0,25 nm ist. Wie aus der obigen Gleichung folgt, beginnen die Beugungsmaxima mit der Steigerung der Ordnung N auseinanderzulaufen, und das Profil jedes Maximums wiederholt immer mehr das Profil des Spektrums der Laserstrahlung. In 5 sind die Beugungsordnungen Nr. 999 (8₉₉₉ ), 1000 (8₁₀₀₀ ) und 1001 (8₁₀₀₁ ) entsprechend der gemachten Annahmen dargestellt.Considering this equation, furthermore, a section of the far-field distribution in the range of higher diffraction orders (N >> 1) is considered. It is assumed that the spectral width of the laser beam Δλ = 0.25 nm. As follows from the above equation, the diffraction maxima begin to diverge with the order N increase, and the profile of each maximum repeats more and more the profile of the spectrum of the laser radiation. In 5 are the diffraction orders No. 999 ( _8,999 ), 1000 ( 8 ₁₀₀₀ ) and 1001 ( 8 ₁₀₀₁ ) according to the assumptions made.

Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, das Linsenarray 1, 2 in der Vorrichtung so anordnen, dass dieses nur die höheren Beugungsordnungen erzeugt, was zur Überlappung des Beugungsbildes führen muss. Infolgedessen nimmt die Homogenität des Beleuchtungsfeldes zu. Wie aus der obigen Gleichung folgt, wird dieser Effekt beachtlich ab ungefähr N = λ/Δλ.The invention is based on the idea of the lens array 1 . 2 Arrange in the device so that this only generates the higher diffraction orders, which must lead to the overlap of the diffraction pattern. As a result, the homogeneity of the illumination field increases. As follows from the above equation, this effect becomes noticeable from approximately N = λ / Δλ.

Zur Verdeutlichung der Effektivität der Erfindung, soll der nachfolgende Vergleich für die oben beschriebene Anordnung durchgeführt werden:
Es wird angenommen, dass das auf das Linsenarray 1 auftreffende Laserlicht die orthogonalen zu Eins genormten Hermite-Gauß-Moden mit den Indizes von 0 bis 19 aufweist. Der Strahlradius ist hier 2w = 5 mm. Das Feld im Eingang des Linsenarrays 1 ist in 6 dargestellt.To illustrate the effectiveness of the invention, the following comparison shall be made for the arrangement described above:
It is believed that on the lens array 1 incident laser light has the orthogonal to one-standard Hermite Gaussian modes with the indices from 0 to 19. The beam radius here is 2w = 5 mm. The field in the entrance of the lens array 1 is in 6 shown.

Falls das Laserlicht monochromatisch ist, ergibt sich im Fernfeld beziehungsweise im Arbeitsbereich 7 eine Intensitätsverteilung wie in 7 abgebildet. Die Oszillationen in dieser Fernfeldverteilung betragen PTV = 14%. Falls das Laserlicht die inhomogen verbreiterte spektrale Breite Δλ = 0,25 nm aufweist, wird die Fernfeldverteilung bei einem Übergang von der nullten Beugungsordnung (N = 0) zur zweitausendsten Beugungsordnung (N = 2000) deutlich homogener (PTV = 3%). Der Übergang von der nullten zur zweitausendsten Beugungsordnung erfolgt bei einer Ablenkung der nullten Ordnung des Laserlichts beziehungsweise bei einer Drehung der Richtdiagramms der Linsenarrays 1, 2 um einen Winkel von α ≥ 30°. Dies deshalb, weil der Ablenkwinkel α, die Nummer N der Beugungsordnung (beispielsweise 2000), die Wellenlänge λ (beispielsweise 500 nm) und der Mittenabstand d (beispielsweise 2 mm) der Linsen 4, 5 der Linsenarrays 1, 2 über folgende Formel miteinander verknüpft sind:

If the laser light is monochromatic, results in the far field or in the work area 7 an intensity distribution as in 7 displayed. The oscillations in this far field distribution are PTV = 14%. If the laser light has the inhomogeneously broadened spectral width Δλ = 0.25 nm, the far field distribution becomes significantly more homogeneous (PTV = 3%) at a transition from the zeroth diffraction order (N = 0) to the two thousandth order of diffraction (N = 2000). The transition from the zeroth to the two thousandth diffraction order takes place with a deflection of the zeroth order of the laser light or with a rotation of the directional diagram of the lens arrays 1 . 2 by an angle of α ≥ 30 °. This is because the deflection angle α, the number N of the diffraction order (for example, 2000), the wavelength λ (for example, 500 nm), and the center distance d (for example, 2 mm) of the lenses 4 . 5 the lens arrays 1 . 2 linked by the following formula:

Der Ausdruck Richtdiagramm der Linsenarrays wird synonym zum Ausdruck Richtcharakteristik des Linsenarrays gebraucht und beschreibt die Abstrahlcharakteristik des aus dem zweiten Linsenarray 2 austretenden Laserlichts. Es gibt mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Aufgabe der Verschiebung des Richtdiagramms des Linsenarrays 1, 2 beziehungsweise der Ablenkung der nullten Beugungsordnung des Laserlichts erfüllen. Beispiele solcher Vorrichtungen sind in den 10 bis 13 abgebildet.The term directional diagram of the lens arrays is used synonymously with the expression directional characteristic of the lens array and describes the emission characteristic of the second lens array 2 exiting laser light. There are several embodiments of a device according to the invention, which has the task of shifting the directional diagram of the lens array 1 . 2 or the deflection of the zeroth diffraction order of the laser light meet. Examples of such devices are in the 10 to 13 displayed.

Die Vorrichtung gemäß 10 umfasst neben einem ersten Linsenarray 11 mit Linsen 14, einem zweiten Linsenarray 12 mit Linsen 15 und einer Linse 13 in Fourieranordnung ein Prisma 18, das in Z-Richtung vor dem ersten Linsenarray 11 angeordnet ist. Das Prisma 18 lenkt das auftreffende Laserlicht um einen Winkel α nach oben in 10 beziehungsweise in positiver X-Richtung ab. Die Richtung des Richtdiagramms der Linsenarrays 11, 12 bleibt dabei unverändert.The device according to 10 includes in addition to a first lens array 11 with lenses 14 , a second lens array 12 with lenses 15 and a lens 13 in Fourier arrangement a prism 18 , this in Z direction in front of the first lens array 11 is arranged. The prism 18 deflects the incident laser light by an angle α upwards in 10 or in the positive X direction. The direction of the directional diagram of the lens arrays 11 . 12 remains unchanged.

Anstelle eines Prismas 18 kann auch ein Spiegel verwendet werden. Auch eine Drehung des aus den Linsenarrays 11, 12 und der Linse 13 bestehenden Systems gegenüber dem einfallenden Laserlicht kann eine vergleichbare Situation schaffen.Instead of a prism 18 a mirror can also be used. Also a rotation of the lens array 11 . 12 and the lens 13 existing system with respect to the incident laser light can create a comparable situation.

Die Linsenarrays 11, 12 sind auf einem Substrat ausgebildet, wobei der Abstand der Linsen 14, 15 zueinander gleich der Brennweite f der Linsen 14, 15 ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 10 lediglich 6 der Linsen 14, 15 dargestellt. Es können jedoch wesentlich mehr Linsen 14, 15 pro Linsenarray 11, 12 vorgesehen sein. Mit dem Bezugszeichen 16 sind die aus dem zweiten Linsenarray 12 austretenden Teilstrahlen und mit 17 ist der Arbeitsbereich bezeichnet.The lens arrays 11 . 12 are formed on a substrate, wherein the distance of the lenses 14 . 15 each other equal to the focal length f of the lenses 14 . 15 is. For better clarity are in 10 only 6 of the lenses 14 . 15 shown. However, there can be many more lenses 14 . 15 per lens array 11 . 12 be provided. With the reference number 16 are the ones from the second lens array 12 emerging partial beams and with 17 is the workspace designated.

Die Linsen 14 des ersten Linsenarrays 11 sind jeweils symmetrisch hinsichtlich der Z-Richtung, wohingegen die Linsen 15 des zweiten Linsenarrays 12 unsymmetrisch hinsichtlich der Z-Richtung sind. Da das Laserlicht aufgrund des schiefen Einfalls schräg nach oben (siehe 10) in dem Substrat der Linsenarrays 11, 12 verläuft, können die Linsen 15 des zweiten Linsenarrays 12 jeweils lediglich aus einem oberen Teil einer sphärischen oder zylindrischen Linse bestehen. Die Mitten der Linsen 15 des zweiten Linsenarrays 12 sind gegenüber den Mitten der Linsen 14 des ersten Linsenarrays 11 versetzt. Die Größe der Versetzung kann beispielsweise der Hälfte des Mittenabstandes d und somit d/2 entsprechen (siehe 10). Andere Versetzungen sind jedoch ebenfalls möglich und gleichermaßen wirksam.The lenses 14 of the first lens array 11 are each symmetrical with respect to the Z-direction, whereas the lenses 15 of the second lens array 12 are asymmetrical with respect to the Z direction. Since the laser light due to the oblique incidence obliquely upward (see 10 ) in the substrate of the lens arrays 11 . 12 runs, the lenses can 15 of the second lens array 12 each consist only of an upper part of a spherical or cylindrical lens. The centers of the lenses 15 of the second lens array 12 are opposite the centers of the lenses 14 of the first lens array 11 added. The size of the offset may correspond to, for example, half of the center distance d and thus d / 2 (see 10 ). However, other dislocations are also possible and equally effective.

Das Richtdiagramm am Ausgang des zweiten Linsenarrays 12 ist relativ zur Normalen auf dem Linsenarray 12 beziehungsweise zur Z-Richtung symmetrisch, wobei der Winkel zwischen der nullten Beugungsordnung und der Z-Richtung dem Eingangswinkel α entspricht. So wird das Zentrum des Richtdiagramms um den Winkel α gegenüber der nullten Beugungsordnung versetzt, was der Idee der Erfindung entspricht.The directional diagram at the output of the second lens array 12 is relative to the normal on the lens array 12 or to the Z-direction symmetrical, wherein the angle between the zeroth diffraction order and the Z-direction corresponds to the input angle α. Thus, the center of the directional diagram is offset by the angle α with respect to the zeroth diffraction order, which corresponds to the idea of the invention.

In 10 ist schematisch eine Laserlichtquelle 10 eingezeichnet, die ein zumindest teilweise kohärentes Laserlicht mit einer spektralen Breite Δλ und einer Wellenlänge λ aussenden kann. Insbesondere weist das Laserlicht eine Mehrzahl transversaler Moden auf, so dass die Beugungsmaßzahl M² größer als 10 ist.In 10 is schematically a laser light source 10 which can emit an at least partially coherent laser light having a spectral width Δλ and a wavelength λ. In particular, the laser light has a plurality of transverse modes, so that the diffraction factor M ^{2 is} greater than 10.

Die Vorrichtung gemäß 11 umfasst neben einem ersten Linsenarray 21 mit Linsen 24, einem zweiten Linsenarray 22 mit Linsen 25 und einer Linse 23 in Fourieranordnung ein Prismenarray 28 mit Prismenelementen 29, das in Z-Richtung hinter dem zweiten Linsenarray 21 angeordnet ist. Die Linsenarrays 21, 22 sind auf einem Substrat ausgebildet, wobei der Abstand der Linsen 24, 25 zueinander gleich der Brennweite f der Linsen 24, 25 ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 11 lediglich 6 der Linsen 24, 25 beziehungsweise der Prismenelemente 29 dargestellt. Es können jedoch wesentlich mehr Linsen 24, 25 pro Linsenarray 21, 22 oder Prismenelemente 29 vorgesehen sein. Mit dem Bezugszeichen 26 sind die aus dem zweiten Linsenarray 22 austretenden Teilstrahlen und mit 27 ist der Arbeitsbereich bezeichnet.The device according to 11 includes in addition to a first lens array 21 with lenses 24 , a second lens array 22 with lenses 25 and a lens 23 in Fourier arrangement a prism array 28 with prism elements 29 in the Z direction behind the second lens array 21 is arranged. The lens arrays 21 . 22 are formed on a substrate, wherein the distance of the lenses 24 . 25 each other equal to the focal length f of the lenses 24 . 25 is. For better clarity are in 11 only 6 of the lenses 24 . 25 or the prism elements 29 shown. However, there can be many more lenses 24 . 25 per lens array 21 . 22 or prism elements 29 be provided. With the reference number 26 are the ones from the second lens array 22 emerging partial beams and with 27 is the workspace designated.

In der in 11 abgebildeten Ausführungsform dreht das Prismenarray 28 das Richtdiagramm einer jeden Linse 25 des zweiten Linsenarrays 22 um den Winkel α. Die Richtung der nullten Beugungsordnung bleibt dabei unverändert. In diesem Fall umfasst das Richtdiagramm jeder Linse 25 höhere Beugungsordnungen des Linsenarrays 22, was der Idee der Erfindung entspricht. Die Prismenelemente 29 dienen als Ablenkelemente. Dabei weist ein jedes der Prismenelemente 29 eine ausgangsseitige refraktive Fläche auf, deren Normale mit der Einfallsrichtung des Laserlichts auf das Linsenarray (beziehungsweise mit der Z-Richtung) einen Winkel β einschließt, der ungleich 0° ist.In the in 11 In the embodiment shown, the prism array rotates 28 the directional diagram of each lens 25 of the second lens array 22 around the angle α. The direction of the zeroth diffraction order remains unchanged. In this case, the directional diagram includes each lens 25 higher diffraction orders of the lens array 22 which corresponds to the idea of the invention. The prism elements 29 serve as baffles. In this case, each of the prism elements has 29 an output side refractive surface whose normal with the direction of incidence of the laser light on the lens array (or with the Z direction) includes an angle β, which is not equal to 0 °.

Das Prismenarray 28 kann durch ein entsprechendes Spiegelarray ersetzt werden.The prism array 28 can be replaced by a corresponding mirror array.

Diese Ausführungsform gemäß 12 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 11 durch ein zusätzliches Prisma 30. Dieses Prisma 30 lenkt das Laserlicht zur optischen Achse (beziehungsweise zur Z-Richtung) ab, was die Linse 23 in ihrer Funktion unterstützt.This embodiment according to 12 differs from the embodiment according to 11 through an additional prism 30 , This prism 30 deflects the laser light to the optical axis (or to the Z direction), which is the lens 23 supported in their function.

Die Vorrichtung gemäß 13 umfasst ein erstes Linsenarray 31 mit Linsen 34, ein zweites Linsenarray 32 mit Linsen 35 und eine Linse 33 in Fourieranordnung. Auf das Prismenarray 28 gemäß 11 und 12 wurde verzichtet, wobei seine Funktion in das zweite Linsenarray 32 integriert ist. Die Linsenarrays 31, 32 sind auf einem Substrat ausgebildet, wobei der Abstand der Linsen 34, 35 zueinander gleich der Brennweite f der Linsen 34, 35 ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 13 lediglich 6 der Linsen 34, 35 dargestellt. Es können jedoch wesentlich mehr Linsen 34, 35 pro Linsenarray 31, 32 vorgesehen sein. Mit dem Bezugszeichen 36 sind die aus dem zweiten Linsenarray 32 austretenden Teilstrahlen und mit 37 ist der Arbeitsbereich bezeichnet.The device according to 13 includes a first lens array 31 with lenses 34 , a second lens array 32 with lenses 35 and a lens 33 in Fourier arrangement. On the prism array 28 according to 11 and 12 was waived, with its function in the second lens array 32 is integrated. The lens arrays 31 . 32 are formed on a substrate, wherein the distance of the lenses 34 . 35 each other equal to the focal length f of the lenses 34 . 35 is. For better clarity are in 13 only 6 of the lenses 34 . 35 shown. However, there can be many more lenses 34 . 35 per lens array 31 . 32 be provided. With the reference number 36 are the ones from the second lens array 32 emerging partial beams and with 37 is the workspace designated.

Die Integration der Ablenkfunktion der Prismenelemente in das zweite Linsenarray 32 geschieht durch Versetzung der Mitten der Linsen 35 des zweiten Linsenarrays 32 gegenüber den Mitten der Linsen 34 des ersten Linsenarrays 31. Die Größe der Versetzung entspricht bei der Ausführungsform gemäß 13 nicht der Hälfte des Mittenabstandes d. Andere Versetzungsgrößen wie beispielsweise d/2 sind jedoch ebenfalls möglich und gleichermaßen wirksam. Dabei sind in Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 10 sowohl die Linsen 34 des ersten Linsenarrays 31 als auch die Linsen 35 des zweiten Linsenarrays 32 jeweils symmetrisch hinsichtlich der Z-Richtung. Der Versatz der Linsen 35 gegenüber den Linsen 34 realisiert die erfindungsgemäßen Ablenkmittel.The integration of the deflection function of the prism elements into the second lens array 32 happens by shifting the centers of the lenses 35 of the second lens array 32 opposite the centers of the lenses 34 of the first lens array 31 , The size of the offset corresponds in the embodiment according to 13 not half the center distance d. However, other displacement variables such as d / 2 are also possible and equally effective. In contrast to the embodiment according to FIG 10 both the lenses 34 of the first lens array 31 as well as the lenses 35 of the second lens array 32 each symmetrical with respect to the Z direction. The offset of the lenses 35 opposite the lenses 34 implements the deflection means according to the invention.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erscheint das Winkel α nicht am Eingang des ersten Linsenarrays 31, wie in der Ausführungsform gemäß 10, sondern am Ausgang des zweiten Linsenarrays 32.In this embodiment, the angle α does not appear at the entrance of the first lens array 31 as in the embodiment according to FIG 10 but at the output of the second lens array 32 ,

Die Linsen 14, 15; 24, 25; 34, 35 können als Zylinderlinsen, insbesondere mit sich in Y-Richtung erstreckender Zylinderachse, oder als sphärische Linsen ausgeführt sein.The lenses 14 . 15 ; 24 . 25 ; 34 . 35 can be designed as cylindrical lenses, in particular with extending in the Y direction cylinder axis, or as spherical lenses.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10139355 A1 [0003]

Claims

Device for homogenizing at least partially coherent laser light, comprising - at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) with a plurality of lenses ( 14 . 15 ; 24 . 25 ; 34 . 35 ), through which the laser light to be homogenized can pass, wherein the plurality of lenses ( 14 . 15 ; 24 . 25 ; 34 . 35 ) of the lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) the laser light into a plurality of partial beams ( 16 . 26 . 36 ) is split, - one in a Fourier arrangement behind the at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) arranged lens ( 13 . 23 . 33 ), the individual partial beams ( 16 . 26 . 36 ) in a workspace ( 17 . 27 . 37 ) in such a way that they interfere with formation of a plurality of diffraction orders, characterized in that - the device comprises deflection means which deflect the laser light before, after or during the passage through the at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) in such a way that in the work area ( 17 . 27 . 37 ) at least predominantly overlap diffraction orders, for which applies:

Apparatus according to claim 1, characterized in that the deflection means in the propagation direction of the laser light in front of the lens ( 13 . 23 . 33 ) are arranged.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the deflection means are designed and / or arranged in the device such that the propagation direction of the zeroth diffraction order of the plurality of partial beams ( 16 . 26 . 36 ) after the deflection by the deflection means with the direction of incidence of the laser light on the lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) includes an angle α for which:

where λ is the wavelength of the laser light to be homogenized, Δλ is the spectral width of the laser light to be homogenized and d is the center distance of the lenses of the at least one lens array.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the deflection means comprises a plurality of Comprise deflecting elements.

Apparatus according to claim 4, characterized in that the deflection means are designed and / or arranged such that in each case one of the deflection elements one of the partial beams ( 16 . 26 . 36 ), especially before the partial beams ( 16 . 26 . 36 ) overlap.

Device according to one of claims 4 or 5, characterized in that the deflection elements in the propagation direction of the laser light behind the at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) are arranged.

Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the deflecting elements on a common Substrate are formed.

Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that each of the deflecting elements by at least a refractive surface is formed through which the to homogenizing laser light can pass through.

Device according to claim 8, characterized in that that the normal of each of the refractive surfaces with the Incidence direction of the laser light on the lens array includes an angle β, which is not equal to 0 °.

Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the deflection means in addition to the deflection elements, for example as a prism ( 18 . 30 ) comprise a wedge-shaped substrate.

Apparatus according to claim 10, characterized in that the wedge-shaped substrate in the propagation direction of the laser light in front of the at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) is arranged.

Device according to claim 10, characterized in that that the wedge-shaped substrate in the propagation direction of the Laser light is disposed behind the deflecting elements.

Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the device has two lens arrays ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) each having a plurality of lenses ( 14 . 15 ; 24 . 25 ; 34 . 35 ), through which the laser light to be homogenized can pass successively.

Apparatus according to claim 13, characterized in that the two lens arrays ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) are formed on a substrate.

Device according to one of claims 13 or 14, characterized in that the distance of the two lens arrays ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) in the direction of propagation of the La to be homogenized of the focal length (f) of at least a majority of the lenses ( 14 . 15 ; 24 . 25 ; 34 . 35 ) of the lens arrays ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) corresponds.

Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the deflection elements in the at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) are integrated.

Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that the deflection elements by an offset of the lenses ( 14 . 24 . 34 ) of the first lens array ( 11 . 21 . 31 ) in a direction perpendicular to the propagation direction of the laser light with respect to the lenses ( 15 . 25 . 35 ) of the second lens array ( 12 . 22 . 32 ) will be realized.

Device according to one of claims 13 to 17, characterized in that the second lens array ( 12 . 22 . 32 ) in the input-side focal plane of the lens ( 13 . 23 . 33 ) is arranged.

Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the working area ( 17 . 27 . 37 ) in the output focal plane of the lens ( 13 . 23 . 33 ) is arranged.

Device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the lenses ( 14 . 15 ; 24 . 25 ; 34 . 35 ) of the at least one lens array ( 11 . 12 ; 21 . 22 ; 31 . 32 ) are formed as cylindrical lenses.

Arrangement for homogenizing at least partially coherent laser light, comprising - a laser light source ( 10 ) and - an apparatus according to any one of claims 1 to 20.

Arrangement according to claim 21, characterized in that the laser light source ( 10 ) Laser light with a diffraction factor M ² greater than 1, in particular greater than 10 can spend.

Arrangement according to one of claims 21 or 22, characterized in that the laser light of the laser light source ( 10 ) has a spectral width for which:

where Δλ is the spectral width of the laser light to be homogenized, λ is the wavelength of the laser light to be homogenized and d is the center distance of the lenses of the at least one lens array.

Method for homogenizing at least partially coherent laser light, comprising the following method steps: - dividing the laser light to be homogenized into a plurality of partial beams ( 16 . 26 . 36 ); Superimposing the plurality of partial beams ( 16 . 26 . 36 ) in a workspace ( 17 . 27 . 37 ) such that they interfere with formation of a plurality of diffraction orders; characterized in that - the plurality of partial beams ( 16 . 26 . 36 ) before the overlay in the workspace ( 17 . 27 . 37 ) are deflected in such a way that in the work area ( 17 . 27 . 37 ) at least predominantly overlap diffraction orders, for which applies: