DE102008024697B4

DE102008024697B4 - Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts

Info

Publication number: DE102008024697B4
Application number: DE200810024697
Authority: DE
Inventors: Aleksei Mikhailov; Dr. Ivanenko Mikhail
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Limo GmbH
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: DE102008024697A1

Abstract

Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts (2), umfassend – mindestens ein Linsenarray (3) mit einer Mehrzahl von Linsen (6, 7), durch die das zu homogenisierende Laserlicht (2) im Gebrauch hindurch tritt, wobei durch die Mehrzahl der Linsen (6, 7) des Linsenarrays (3) das Laserlicht (2) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgespalten wird, – mindestens ein hinter dem mindestens einen Linsenarray (3) angeordnetes Überlagerungsmittel, das die einzelnen Teilstrahlen in einer Arbeitsebene (5) überlagert, – mindestens ein polarisationssensitives Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11), das im Gebrauch einen ersten Anteil (13) des Laserlichts (2), der eine erste Polarisation aufweist, relativ zu einem zweiten Anteil (14) des Laserlichts (2), der eine zweite, von der ersten verschiedene Polarisation aufweist, derart ablenkt oder versetzt, dass Interferenzeffekte in der Arbeitsebene (5) verringert werden, wobei das mindestens eine polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) ein lichtdurchlässiges Element aus einem doppelbrechenden Material umfasst oder ist, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Element eine planparallele Platte ist, die einen Strahlversatz des ersten Anteils (13) gegenüber dem zweiten Anteil (14) bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
Aus der DE 101 39 355 A1 ist eine Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts 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.
Aus der DE 103 45 784 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung sind in dem Strahlengang des zu homogenisierenden Laserlichts gegeneinander verdrehte Stapel von doppelbrechenden, lichtdurchlässigen Elementen unterschiedlicher Länge vorgesehen. Nach Hindurchtritt durch die Stapel weisen die durch unterschiedliche Elemente hindurch getretenen Anteile des zu homogenisierenden Laserlichts eine Phasenverschiebung zueinander auf, die in der Arbeitsebene die Interferenz bei der Überlagerung der einzelnen Teilstrahlen verringert und die Homogenität verbessert.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die eine homogenere Intensitätsverteilung bewirken kann.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das lichtdurchlässige Element eine planparallele Platte ist, die einen Strahlversatz des ersten Anteils gegenüber dem zweiten Anteil bewirkt. Durch einen Versatz eines Anteils des Laserlichts relativ zu einem anderen Anteil des Laserlichts in der Arbeitsebene kann für diese Anteile zumindest teilweise verhindert werden, dass sie miteinander interferieren. Dadurch wird die Intensitätsverteilung des Laserlichts in der Arbeitsebene homogener.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln erreicht werden, dass nach Überlagerung der von dem Linsenarray erzeugten Teilstrahlen in der Arbeitsebene einander entsprechende Anteile des Laserlichts derart gegeneinander verschoben sind, dass die Interferenz verringert und die Homogenität verbessert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein Beispiel eines polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Figuren werden gleiche oder funktional gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist in 1 eine schematisch angedeutete Laserlichtquelle bezeichnet, von der das zu homogenisierende Laserlicht 2 ausgeht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Linsenarray 3, das das Laserlicht 2 in einzelne Teilstrahlen unterteilt, die von einer Linse 4 in einer Arbeitsebene 5 überlagert werden. Dazu ist die Linse 4 in einer Fourieranordnung positioniert, bei der das Linsenarray 3 in der eingangsseitigen Brennebene und die Arbeitsebene 5 in der ausgangsseitigen Brennebene der Linse 4 angeordnet ist. In 1 ist dies durch Einzeichnung der Brennweite F₄ der Linse 4 angedeutet.
Bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Linsenarray 3 auf einem Substrat ausgebildet, dass sowohl auf seiner Eintrittsseite (links in 1), als auch auf seiner Austrittsseite (rechts in 1) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen 6, 7 aufweist. Dabei weisen die Linsen 6, 7 jeweils den gleichen Mittenabstand (Pitch) d zueinander auf. Der Abstand der Linsen 6 auf der Eintrittsseite zu den Linsen 7 auf der Austrittsseite entspricht der Brennweite F_6,7 der Linsen 6, 7.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine vor dem Linsenarray 3 angeordnete Linse 8, die ebenfalls in einer Fourieranordnung positioniert ist. Dabei ist die Laserlichtquelle 1 in der eingangsseitigen Brennebene und das Linsenarray 3 in der ausgangsseitigen Brennebene der Linse 8 angeordnet ist. In 1 ist dies durch Einzeichnung der Brennweite F₈ der Linse 8 angedeutet.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein erstes polarisationssensitives Strahlbeeinflussungsmittel 9 und ein zweites polarisationssensitives Strahlbeeinflussungsmittel 10. Das erste polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel 9 ist direkt hinter der Laserlichtquelle 1 und damit etwa in der eingangsseitigen Brennebene der Linse 8 angeordnet. Das zweite polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel 10 ist direkt vor dem Linsenarray 3 und damit etwa in der ausgangsseitigen Brennebene der Linse 8 angeordnet.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass die Vorrichtung anstelle der beiden abgebildeten polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittel 9, 10 nur ein polarisationssensitives Strahlbeeinflussungsmittel umfasst. Dieses kann dann beispielsweise am Ort des ersten polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittels 9 oder am Ort des zweiten polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittels 10 angeordnet sein.
Das in 2 abgebildete Beispiel eines polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittels 11 ist als planparallele Platte aus einem doppelbrechenden Material ausgebildet. Es handelt sich dabei beispielsweise um einen optisch einachsigen Kristall. In 2 ist dazu die optische Achse 12 eingezeichnet. Durch das als planparallele Platte ausgebildete polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel 11 wird einfallendes Laserlicht 2 aufgespalten in einen ersten Anteil 13 mit einer ersten Polarisation und einen zweiten, gegen den ersten versetzten, Anteil 14 mit einer zweiten Polarisation. Dabei entspricht beispielsweise der erste Anteil 13 dem ordentlichem Strahl und der zweite Anteil 14 dem außerordentlichen Strahl. Insbesondere ist dabei die erste Polarisation senkrecht zu der zweiten Polarisation.
Das polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel 11 gemäß 2 kann, wie in 1 abgebildet, beispielsweise am Ort des ersten polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittels 9 und/oder am Ort des zweiten polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittels 10 angeordnet sein.
Die störenden Interferenzmaxima, die zur Inhomogenität der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung in der Arbeitsebene 5 beitragen, haben in der Arbeitsebene 5 einen Abstand D voneinander, der sich nach folgender Formel bestimmt:
wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts 2, F₄ die Brennweite der Linse 4 und d der Mittenabstand der Linsen 6, 7 des Linsenarrays 3 ist.
Um zu verhindern, dass die beiden Anteile 13, 14 in der Arbeitsebene 5 miteinander interferieren, reicht es, wenn die von ihnen hervorgerufenen Interferenzmuster in der Arbeitsebene einen Versatz V aufweisen, für den gilt:
wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts 2, F₄ die Brennweite der Linse 4 und d der Mittenabstand der Linsen 6, 7 des Linsenarrays 3 ist.
Das mindestens eine polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel 9, 10, 11 sollte somit einen Versatz oder eine unterschiedliche Ablenkung der beiden Anteile 13, 14 herbeiführen, die in der Arbeitsebene 5 einen Versatz der Interferenzmuster der Anteile 13, 14 bewirken, der gleich dem Versatz V gemäß obiger Gleichung ist oder gleich n·V ist, wobei n eine ungerade natürliche Zahl ist. In diesem Fall wird durch zumindest teilweisen Wegfall von Interferenzeffekten die Intensitätsverteilung des Laserlichts 2 in der Arbeitsebene 5 homogener.

Claims

Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts (2), umfassend – mindestens ein Linsenarray (3) mit einer Mehrzahl von Linsen (6, 7), durch die das zu homogenisierende Laserlicht (2) im Gebrauch hindurch tritt, wobei durch die Mehrzahl der Linsen (6, 7) des Linsenarrays (3) das Laserlicht (2) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgespalten wird, – mindestens ein hinter dem mindestens einen Linsenarray (3) angeordnetes Überlagerungsmittel, das die einzelnen Teilstrahlen in einer Arbeitsebene (5) überlagert, – mindestens ein polarisationssensitives Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11), das im Gebrauch einen ersten Anteil (13) des Laserlichts (2), der eine erste Polarisation aufweist, relativ zu einem zweiten Anteil (14) des Laserlichts (2), der eine zweite, von der ersten verschiedene Polarisation aufweist, derart ablenkt oder versetzt, dass Interferenzeffekte in der Arbeitsebene (5) verringert werden, wobei das mindestens eine polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) ein lichtdurchlässiges Element aus einem doppelbrechenden Material umfasst oder ist, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Element eine planparallele Platte ist, die einen Strahlversatz des ersten Anteils (13) gegenüber dem zweiten Anteil (14) bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine polarisationssensitive Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts (2) vor dem mindestens einen Linsenarray (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Linse (8) umfasst, die in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts (2) in einer Fourieranordnung vor dem mindestens einen Linsenarray (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine oder eines der polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts (2) vor der Linse (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine oder eines der polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts (2) in der eingangsseitigen Brennebene der Linse (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine oder eines der polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts (2) zwischen der Linse (8) und dem mindestens einen Linsenarray (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine oder eines der polarisationssensitiven Strahlbeeinflussungsmittel (9, 10, 11) in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts (2) in der ausgangsseitigen Brennebene der Linse (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine hinter dem mindestens einen Linsenarray (3) angeordnete Überlagerungsmittel als Linse (4) in einer Fourieranordnung ausgebildet ist.