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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Formung eines Laserstrahls.
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Definitionen:
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In
Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung oder des Laserstrahls meint
mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn
diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist.
Mit Laserstrahl, 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 oder einem Top-Hat-Profil,
der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt
aufweist.
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Es
ist wünschenswert, beispielsweise zur Bearbeitung von Werkstücken
mit einem Laserstrahl, einen Fokusbereich des Laserstrahls erzielen
zu können, der eine große Tiefenschärfe
aufweist, beziehungsweise sich über eine vergleichsweise
lange Strecke in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls relativ unverändert
erstreckt.
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Aus Physical
Review Letters, PRL 99, 213901 (2007) ist die Erzeugung
von so genannten Airy-Strahlen bekannt. Diese Airy-Strahlen behalten unter
bestimmten Bedingungen ihren Querschnitt über vergleichsweise
große Strecken bei. Allerdings sind sie sehr unsymmetrisch
und daher für viele Anwendungen ungeeignet.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mittels
denen zumindest bereichsweise eine Intensitätsverteilung
des Laserstrahls erzielbar ist, die sich über eine vergleichsweise
lange Strecke in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls relativ unverändert erstreckt
und/oder eine für manche Anwendungen geeignetere Form aufweist.
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Die
wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung
durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch
ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 13 erreicht. Die Unteransprüche betreffen
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls
Symmetrisiermittel, die derart mit dem zu formenden Laserstrahl
Wechselwirken können, dass nach der Wechselwirkung zumindest
zwei in Querrichtung des Laserstrahls unterschiedliche Abschnitte
oder Teilstrahlen des Laserstrahls zumindest punktweise oder bereichsweise
räumlich kohärent zueinander sind, sowie weiterhin Überlagerungsmittel
zur Überlagerung der mindestens zwei Abschnitte oder Teilstrahlen
miteinander umfasst, wobei die Überlagerungsmittel im Strahlweg
des Laserstrahls hinter den Symmetrisiermitteln angeordnet sind.
Durch eine derartige Gestaltung kann in einem Überlagerungsbereich
eine Intensitätsverteilung erzeugt werden, die einerseits
vergleichsweise symmetrisch ist, dabei beispielsweise eine mittige
Intensitätsspitze aufweist und über eine vergleichsweise
große Strecke in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls
ihre Form beibehält. Damit kann diese Intensitätsverteilung
für viele Anwendungen vorteilhaft verwendet werden, wobei
insbesondere die Form der Intensitätsverteilung und die
vergleichsweise große Tiefenschärfe des Fokusbereichs vorteilhaft
gegenüber dem genannten Stand der Technik sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine
schematische Darstellung zweier überlagerter ebener Wellen;
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2 eine
zweite schematische Darstellung zweier überlagerter ebener
Wellen;
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3 schematisch
die Fokussierung eines Gaußstrahls;
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4 schematisch
die Fokussierung eines Laserstrahls, der Abschnitte mit einer Spiegelsymmetrie
aufweist;
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5 schematisch
die Fokussierung zweier Laserstrahlen, die eine Spiegelsymmetrie
aufweisen;
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6 schematisch
die Fokussierung von Laserstrahlen, die von zwei Quellen ausgehen,
die eine Spiegelsymmetrie aufweisen;
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7a schematisch
die Intensitätsverteilung in Querrichtung eines ersten
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren
Fokusbereichs;
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7b schematisch
die Intensitätsverteilung in Querrichtung eines zweiten
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren
Fokusbereichs;
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7c schematisch
die Intensitätsverteilung in Querrichtung eines dritten
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren
Fokusbereichs;
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8 eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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9a eine
schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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9b beispielhaft
eine mit der zweiten Ausführungsform erzielbare Intensitätsverteilung;
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9c beispielhaft
eine weitere mit der zweiten Ausführungsform erzielbare
Intensitätsverteilung;
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10a eine schematische Seitenansicht einer dritten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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10b beispielhaft eine mit der dritten Ausführungsform
erzielbare Intensitätsverteilung;
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10c beispielhaft eine weitere mit der dritten
Ausführungsform erzielbare Intensitätsverteilung;
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11 eine
schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In
den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile, Elemente
oder Strahlen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden durch Überlagerungsmittel,
wie beispielsweise eine Linse 1 (siehe 1 und 2),
zwei Laserstrahlen 2, 3 oder Abschnitte eines
Laserstrahls 4 miteinander überlagert. 1 zeigt
schematisch die Überlagerung zweier ebener Wellen, die
beispielsweise durch zwei Laserstrahlen 2, 3 näherungsweise realisiert
werden können.
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In
dem Überlagerungsbereich 5 der beiden Laserstrahlen 2, 3 oder
der einzelnen Abschnitte eines Laserstrahls 4 entsteht
eine Strahltaille, die beispielsweise bei einem Laserstrahl 4 mit
einem Gaußprofil ebenfalls eine gaußförmige
Intensitätsverteilung 6a, 6b, 6c aufweist.
Allerdings zeigt 3, dass sich der Strahlquerschnitt
des Laserstrahls 4 im Überlagerungsbereich 5 beziehungsweise
der Strahltaille in Ausbreitungsrichtung sehr schnell ändert,
wie ein Vergleich der Intensitätsverteilungen 6a, 6b und 6c miteinander
zeigt.
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Anders
ist dies bei Laserstrahlen 7, 8, 9, die punktweise
gegenseitige Kohärenz beziehungsweise eine Spiegelsymmetrie
aufweisen. Beispielsweise soll die obere Hälfte 7a punktweise
oder bereichsweise kohärent zu der unteren Hälfte 7b des
Laserstrahls 7 sein, wobei die Hälften 7a, 7b jeweils
keine räumliche Kohärenz zu sich selbst aufweisen.
Ebenso sollen jeweils die Laserstrahlen 8, 9 räumlich
inkohärent sein oder eine räumliche Kohärenz
aufweisen, die kleiner, insbesondere deutlich kleiner als der Durchmesser
(FWHM) des Laserstrahls 7, 8, 9 ist. Beispielsweise
kann die räumliche Kohärenz weniger als ein Zehntel
oder ein Fünfzigstel oder ein Hunderstel des Durchmessers
des Laserstrahls 7, 8, 9 betragen. Gleichzeitig
soll jeweils ein Punkt oder ein Bereich des Laserstrahls 8 kohärent
zu einem Punkt oder Bereich des Laserstrahls 9 sein.
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In 6 wird
dies durch zwei Laserlichtquellen 10, 11 verdeutlicht,
von denen die Laserstrahlen 8, 9 ausgehen. Die
Laserlichtquellen 10, 11 weisen jeweils keine
räumliche Kohärenz oder eine räumliche
Kohärenz auf, die kleiner, insbesondere deutlich kleiner
als der Durchmesser (FWHM) der Laserstrahlen 8, 9 ist.
Beispielsweise kann hier ebenfalls die räumliche Kohärenz
weniger als ein Zehntel oder ein Fünfzigstel oder ein Hunderstel
des Durchmessers der Laserstrahlen 8, 9 betragen.
Gleichzeitig ist aber beispielsweise der Punkt 10a kohärent
zu dem Punkt 11a. Weiterhin ist beispielsweise der Punkt 10b kohärent
zu dem Punkt 11b. Letztlich ist jeder Punkt der Laserlichtquelle 10 beziehungsweise
des von ihr ausgehenden Laserstrahls 8 zu genau einem Punkt der
Laserlichtquelle 11 beziehungsweise des von ihr ausgehenden
Laserstrahls 9 kohärent und gleichzeitig zu jedem
anderen Punkt der Laserlichtquellen 10, 11 oder
der Laserstrahlen 8, 9 inkohärent. Umgekehrt ist
jeder Punkt der Laserlichtquelle 11 beziehungsweise des
von ihr ausgehenden Laserstrahls 9 zu genau einem Punkt
der Laserlichtquelle 10 beziehungsweise des von ihr ausgehenden
Laserstrahls 8 kohärent und gleichzeitig zu jedem
anderen Punkt der Laserlichtquellen 10, 11 oder
der Laserstrahlen 8, 9 inkohärent.
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Durch
derartige beispielsweise zu einer Ebene 12 spiegelsymmetrische
Laserstrahlen 8, 9 kann im Überlagerungsbereich 5 ein
Intensitätsprofil 14, 14a, 14b, 14c erzeugt
werden, das sich über eine längere Strecke 13 in
Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen 8, 9 nicht ändert.
Beispielsweise zeigt 7a ein derartiges Intensitätsprofil 14,
das einen Sockelbereich 15 und eine zentrale Intensitätsspitze 16 aufweist.
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Der
Vergleich der Intensitätsprofile 14a, 14b und 14c zeigt,
dass das Intensitätsprofil 14 im Überlagerungsbereich 5 seine
Form über die Strecke 13 im wesentlichen beibehält.
Insbesondere die Intensitätsspitze 16 verändert
sich kaum. Es ergibt sich also insbesondere im Hinblick auf die
Intensitätsspitze 16 eine große Tiefenschärfe
des Fokusbereichs, was bei vielen Anwendungen von Vorteil ist.
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7b und 7c zeigen
weitere Intensitätsprofile 17, 18, die
durch Überlagerung von punktweise gegenseitig kohärenten
beziehungsweise spiegelsymmetrischen Laserstrahlen erzeugt werden können.
Das Intensitätsprofil 17 ähnelt dem Intensitätsprofil 14,
wobei allerdings anstelle der Intensitätsspitze 16 eine
scharfe Intensitätsdelle 19 vorhanden ist. Das
Intensitätsprofil 18 weist einen Sockelbereich 20 und
eine zentrale Intensitätsüberhöhung 21 auf, die
einer Top-Hat-Form ähnelt.
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Eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung (siehe 8) umfasst eine Laserlichtquelle 22,
ein als Symmetrisiermittel dienendes Doppel-Dove-Prisma 23 und
eine als Überlagerungsmittel dienende Linse 1.
Anstelle der Linse 1 können beliebige anders gestaltete
fokussierende Optiken verwendet werden. Das Doppel-Dove-Prisma 23 weist
eine teildurchlässige Spiegelfläche 24 auf,
die die beiden Dove-Prismen 25, 26 voneinander
trennt.
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Von
der Laserlichtquelle 22 wird eine Laserstrahl 27 erzeugt,
der räumlich inkohärent ist oder eine räumliche
Kohärenz aufweist, die kleiner, insbesondere deutlich kleiner
als der Durchmesser (FWHM) des Laserstrahls 27 ist. Beispielsweise
kann die räumliche Kohärenz weniger als ein Zehntel
oder ein Fünfzigstel oder ein Hunderstel des Durchmessers
des Laserstrahls 27 betragen. Geeignete Laserlichtquellen 22 für
Laserstrahlen mit geringer räumlicher Kohärenz
sind ein Laserdiodenbarren, eine Multimodelaserdiode, ein Festkörperlaser
im transversalen Multimodebetrieb oder jeder andere Laser mit geringer
räumlicher Kohärenz.
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Der
Laserstrahl 27 wird nach Eintritt in das obere Dove-Prisma 25 des
Doppel-Dove-Prismas 23 von der teildurchlässigen
Spiegelfläche 24 teilweise in einen Teilstrahl 27a reflektiert.
Ein weiterer Anteil des Laserstrahls 27 tritt als Teilstrahl 27b durch
die teildurchlässige Spiegelfläche 24 nach
unten in das untere Dove-Prisma 26 hindurch. Die beiden
Teilstrahlen sind aufgrund der teildurchlässigen Spiegelfläche 24 spiegelsymmetrisch
zueinander, so dass jeweils ein Punkt des Teilstrahls 27a kohärent
zu einem an der Ebene 28, in der auch die teildurchlässigen
Spiegelfläche 24 liegt, gespiegelten Punkt des anderen
Teilstrahls 27b ist.
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Die Überlagerung
der beiden Teilstrahlen 27a, 27b in dem Überlagerungsbereich 5 ergibt
eine Intensitätsverteilung wie sie beispielsweise aus 7a oder 7b oder 7c ersichtlich
ist. Diese Intensitätsverteilung verändert über
eine Strecke, die etwa dem Durchmesser des mit 5 bezeichneten Kreises
in 8 entspricht, ihre Form kaum.
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Durch
eine Phasenverschiebung des Teilstrahls 27a gegenüber
dem Teilstrahl 27b um π kann ein Übergang
von der Intensitätsverteilung 14 (siehe 7a)
zu der Intensitätsverteilung 17 (siehe 7b)
erzielt werden. Eine derartige Phasenverschiebung kann beispielweise
durch Verschieben der beiden Dove-Prisma 25, 26 gegeneinander
erreicht werden. Beispielsweise können zu diesem Zweck
Mikropositioniermittel vorgesehen werden.
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9a zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Dabei wird ein Laserstrahl 27 von einer Linse 28 in
ein als Symmetrisiermittel dienendes optisches Element 30 fokussiert,
das als Glasblock mit einer teildurchlässigen Spiegelfläche 24 ausgebildet
ist. Der Laserstrahl trifft dabei schräg von oben in 9a auf
die Spiegelfläche 24 auf. Von der teildurchlässigen
Spiegelfläche 24 wird der Laserstrahl 27 ebenfalls
in zwei zueinander spiegelsymmetrische Teilstrahlen 27a, 27b aufgespalten,
die von als Überlagerungsmitteln dienenden Linsen 1a, 1b in
einen Überlagerungsbereich 5 fokussiert werden.
Die Teilstrahlen 27a, 27b können durchaus
auf einem Teil ihres Weges oder auf ihrem gesamten Weg von der teildurchlässigen
Spiegelfläche 24 bis zum Überlagerungsbereich 5 miteinander überlappen.
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Die Überlagerung
der beiden Teilstrahlen 27a, 27b in dem Überlagerungsbereich 5 ergibt
wiederum eine Intensitätsverteilung 14 wie sie
beispielsweise aus 7a ersichtlich ist oder eine
Intensitätsverteilung 17 wie sie beispielsweise
aus 7b ersichtlich ist (siehe dazu die Detailzeichnungen 9b und 9c).
Die Intensitätsverteilung 14, 17 verändert über
eine Strecke, die etwa dem Durchmesser des mit 5 bezeichneten
Kreises in 9a entspricht, ihre Form kaum.
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10a bis 10c zeigen
eine vergleichbare Situation. Allerdings wird dort der Laserstrahl 27 so
in das optische Element 30 fokussiert, dass er sowohl schräg
von oben als auch schräg von unten in 10a auf die Spiegelfläche 24 auftrifft.
Das Ergebnis ist wiederum die Erzeugung zweier zueinander spiegelsymmetrischer
Teilstrahlen 27a, 27b, die im Überlagerungsbereich 5 die
in 10b und 10c abgebildeten
Intensitätsverteilungen 14, 17 ergeben können.
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Es
besteht die Möglichkeit, anstelle der beispielsweise als
teildurchlässiger Spiegel aufgeführten Symmetrisiermittel,
die außerhalb der Laserlichtquelle angeordnet sind, Symmetrisiermittel
im Inneren des Resonators der Laserlichtquelle anzuordnen. Es kann
sich dabei beispielsweise um eine Komponente handeln, die alle symmetrischen
oder alle unsymmetrischen Moden unterdrückt, so dass die
zwei Hälften des Laserstrahls antisymmetrisch oder symmetrisch
zueinander sind. Auch auf diese Weise lassen sich nach Überlagerung
die in den 7a bis 7c abgebildeten
Intensitätsverteilungen 14, 17, 18 erzielen.
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11 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die als Mikroskop
ausgebildet ist. Dabei wird eine Probe 31 von einem Objektiv 32 und
einem Okular 33 auf eine Kamera 34 abgebildet.
In der Fourierebene 35 des Objektivs 32 ist eine
lichtdurchlässige Platte 36 mit ringförmige
Zonen 37a, 37b, 37c, 37d, 37e angeordnet.
Dabei ist die Dicke einer jeden Zone 37a, 37b, 37c, 37d, 37e ungleich
zu der einer jeder der anderen Zonen 37a, 37b, 37c, 37d, 37e. Weiterhin
weist eine jede der ringförmigen Zonen 37a, 37b, 37c, 37d, 37e umlaufend
eine konstante Dicke auf. Teilstrahlen des Lichts, die durch verschiedene
Zonen 37a, 37b, 37c, 37d, 37e hindurchtreten, erfahren
einen optischen Gangunterschied und sind daran anschließend
inkohärent zu einander, wenn eine Laserlichtquelle mit
entsprechend geringer Kohärenzlänge gewählt
wird.
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Die
Platte 36 wirkt gleichzeitig als Symmetrisiermittel, weil
Teilstrahlen, die durch unterschiedliche Punkte der gleichen Zone
hindurchtreten, zueinander kohärent bleiben. Insbesondere
kann das durch die Platte 36 hindurch getretene Licht axialsymmetrisch
zu einer sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts beziehungsweise
des Laserstrahls erstreckenden Symmetrieachse sein, die insbesondere
der Mittelsenkrechten auf der Platte 36 entspricht.
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Auch
bei dieser Vorrichtung kann somit im Überlagerungsbereich,
der sich im Bereich des CCD-Chips der Kamera 34 befindet,
ein Fokusbereich mit großer Tiefenschärfe entstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Physical Review
Letters, PRL 99, 213901 (2007) [0004]