DE102010005774A1

DE102010005774A1 - Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102010005774A1
Application number: DE102010005774A
Authority: DE
Inventors: Erwin Jäger; Udo Umhofer; Christian Bischoff
Original assignee: TOPAG LASERTECHNIK GmbH
Current assignee: TOPAG LASERTECHNIK GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: DE102010005774B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls, insbesondere um ein Top-Hat-Strahlprofil zu erzeugen, umfassend einen Strahlformer in der Eingangsebene (11), wobei der Strahlformer als Phasenschieber (20) mit einem zentralen und einem peripheren Teil (12, 14) ausgebildet ist und zwischen dem zentralen und dem peripheren Teil (12, 14) eine Phasenverschiebung (Δφ) der komplexen Amplitudenfunktion des Laserstrahls (72) bewirkt wird, so dass in der Eingangsebene (11) mittels des Phasenschiebers (10) die Phase (φ) der komplexen Amplitudenfunktion (22) in dem zentralen Abschnitt (22a) des Laserstrahlprofils relativ zu dem peripheren Abschnitt (22b) des Laserstrahlprofils verschoben wird, wenn der Laserstrahl (72) auf den Phasenschieber (10) trifft und eine fokussierende Optik (42) mittels welcher die Phasen-verschobene komplexe Amplitudenfunktion (24) des Laserstrahls aus der Eingangsebene (11) in die Arbeitsebene (46) Fourier-transformiert wird, so dass das Ziel-Strahlprofil (34) des Laserstrahls in der Arbeitsebene (46) als Fourier-Transformierte der Phasen-verschobenen Amplitudenfunktion (24) aus der Eingangsebene (11) erzeugt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls, insbesondere um ein Top-Hat-Strahlprofil zu erzeugen.
Hintergrund der Erfindung
Für einige Anwendungen ist es notwendig, Gauss-förmige Laserstrahlprofile, typischerweise Laserstrahlen mit einer TEM₀₀-transversalen Mode in ein Zylinder-Strahlprofil zu transformieren. Derartige Zylinder-Strahlprofile werden in der Fachwelt als Top-Hat- oder Flat-Top-Strahlprofile bezeichnet. Ein Top-Hat-Strahlprofil besitzt eine relativ homogene Intensitätsverteilung, idealerweise mit einem im Querschnitt rechteckigen Strahlprofil und wird z. B. für Materialbearbeitung mit Lasern, für optische Messtechniken und für das optische Pumpen von Laserkavitäten, z. B. mit sogenannten Slab-Lasern verwendet.
Bisher bekannt für die Strahlformung eines Gauss-Strahlprofils zu einem Top-Hat-Strahlprofil sind z. B. Diffusoren. Derartige Diffusoren bestehen aus diffraktiven Elementen, die den Laserstrahl in ein bestimmtes Winkelspektrum mit konstanter Intensität streuen. Die Phasentransmission solcher Diffusoren wird durch iterative Fourier-Transformationsalgorithmen (IFTA) berechnet, welche typischerweise zufällige oder deterministische Phasenfunktionen mit hohen Modulationsfrequenzen verwenden (Diffusor Effekt).
1a) zeigt ein typisches Beugungsmuster eines Strahlformers in Form eines Diffusors. 1b) zeigt ein typisches unregelmäßiges Ausgangsmuster, in dem sogenannte „Speckles” auftreten.
Nachteiligerweise erzeugen Diffusoren auf Grund der „Speckles” aber eine ungleichmäßige Lichtverteilung und zerstören die Kohärenz des Laserstrahls, was dazu führt, dass der Laserstrahl nur noch inkohärent abgebildet werden kann (vgl. 1b)).
Ferner sind Strahlformer bekannt, welche entweder auf diffraktiven oder refraktiven Elementen beruhen, die die Energieverteilung des Gauss-Laserstrahlprofils in ein Top-Hat-Strahlprofil umverteilen. Der lokale Ablenkwinkel wird durch eine Abbildungsfunktion mit einer Punkt-zu-Punkt-Beziehung zwischen der Eingangsebene und der Arbeitsebene bestimmt. Derartige Strahlformer werden mit sogenannten Ray-Tracing-Algorithmen und nach Prinzipien der geometrischen Optik entworfen und sind am Markt käuflich zu erwerben.
2a) zeigt eine typische zweidimensionale Phasenfunktion eines refraktiven Top-Hat-Strahlformers und 2b) entsprechend eine diffraktive Variante.
Ein gravierender Nachteil dieser bekannten Strahlformer ist, dass sie sehr empfindlich auf die laterale Ausrichtung, d. h. in x-y-Richtung, zwischen dem Laserstrahl und dem strahlformenden Element reagieren. Diese Strahlformer erfordern daher eine genaue Anpassung des Strahldurchmessers, typischerweise besser als 1%. Dies ist aber häufig aufgrund von Instabilitäten des Lasers und sich verändernder Strahlparameter schwer zu erfüllen. Ferner lässt sich mit diesen Strahlformern typischerweise nur eine geringe Fokustiefe erreichen. Daher tritt das Top-Hat-Profil nur in einem sehr kleinen Intervall in Strahlrichtung (z-Richtung) auf, typischerweise in ein paar Zehn Mikrometer, abhängig von der numerischen Apertur (NA) der fokussierenden Optik. Strahlaufwärts und strahlabwärts dieser Position entstehen Strahlprofile mit typischerweise starken Fluktuationen. Für viele Anwendungen ist dies nicht akzeptabel.
Ferner sind sogenannte Homogenisierer bekannt, welche auf Linsenanordnungen beruhen. Diese Art der Strahlformer unterteilen die Eingangsapertur (Querschnitt des Laserstrahls) in n × m Sub-Aperturen. Jede dieser Sub-Aperturen wird von der nachfolgenden Optik abgebildet und überlappt in der Arbeitsebene, so dass Inhomogenitäten gemittelt werden. 3a) zeigt eine derartige Linsenanordnung (LA), die als Strahlhomogenisierer verwendet wird und 3b) zeigt einen schematischen Querschnitt durch die optische Anordnung mit Fourier-Linse (FL) und Fokusebene (FP).
Nachteilig bei diesen Homogenisierern ist, dass bei der Verwendung von kohärenten Laserstrahlen häufig inakzeptable Intensitätsmodulationen entstehen, welche durch Beugungseffekte an dem Linsengitter entstehen.
Ferner ist aus dem Artikel „Diffraction limited domain flat-top generator" von Ido Gur und David Mendlovic in Optics Communications 145 (1998), 237–248 bekannt, einen Gauss-Laserstrahl in eine gleichmäßige Intensitätsverteilung zu formen (sog. Flat-top-Vorrichtung). Hierfür ist, wie in Appl. Optics 21 (1982) 3209 vorgeschlagen, ein binäres Phasengitter zu verwenden. Gur und Mendlovic schlagen vor, den Laserstrahl mit einer Ausgangsapertur zu begrenzen, um starke Seitenmaxima zu reduzieren. Der Durchmesser der Ausgangsapertur soll dem 1,43-fachen der Gitterkonstante entsprechen.
Nachteilig hierbei ist, dass beim Strahlformersystem von Gur und Mendlovic durch die Verwendung einer Blende der Gauss-Strahl beschnitten wird und dadurch unerwünschte Energieverluste und störende Beugungseffekte resultieren. Zudem ist der zu erzielende homogene Bereich des Top-Hat nach Gur und Mendlovic stets kleiner als die beugungsbegrenzte Fokusgrösse.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls bereit zu stellen, mit welcher ein vordefiniertes, vom üblichen Gauss-Strahlprofil abweichendes Ziel-Strahlprofil, insbesondere ein Top-Hat-Strahlprofil, erzeugt werden kann, wobei das Ziel-Strahlprofil möglichst unempfindlich auf die laterale Relativ-Positionierung zwischen dem Laserstrahl und dem Strahlformer (x, y) und auf den Abstand der Arbeitsebene entlang der optischen Achse ist (hohe Tiefenschärfe).
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls bereit zu stellen, mit welcher je nach Einstellung der Parameter, z. B. Ausbildung des Strahlformers, Abstand der Arbeitsebene, Durchmesser des Laserstrahls etc. unterschiedliche Strahlprofile erzeugt werden können, wobei die Kohärenz des Laserstrahls erhalten werden soll und eine möglichst geringe Intensitätsmodulation erzeugt werden soll.
Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls bereit zu stellen, mit welcher ein vordefiniertes, vom üblichen Gauss-Strahlprofil abweichendes Ziel-Strahlprofil, insbesondere Top-Hat-Strahlprofil, erzeugt werden kann, welche einfach, kostengünstig und präzise herstellbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls, um aus einem Eingangsstrahlprofil des Laserstrahls in einer Eingangsebene ein vordefiniertes Ziel-Strahlprofil des Laserstrahls, insbesondere ein Zylinder-Strahlprofil in einer Arbeitsebene zu erzeugen.
Ein Zylinder-Strahlprofil wird in der Fachwelt als Top-Hat- oder Flat-Top-Profil bezeichnet. Es handelt sich demnach um ein Strahlprofil, welches gezielt von dem normalen Gauss-Strahlprofil des Laserstrahls abweicht und eine möglichst homogene konstante Intensitätsverteilung über die Strahlbreite und eine möglichst scharf abfallende Intensitätsverteilung an den Flanken besitzt. Ein Top-Hat-Strahlprofil ist insbesondere vorteilhaft zur Materialbearbeitung, z. B. in der Solarzellenfertigung, da hiermit eine präzisere bzw. gleichmäßige Materialbearbeitung durchgeführt werden kann. Es lassen sich z. B. höhere Kantenschärfen bei der Laserablation erreichen, als mit einem Gauss-förmigen Laserstrahlprofil. Im Querschnitt soll ein Top-Hat-Strahlprofil sich demnach an eine Rechteckfunktion annähern.
Das radiale Strahlprofil des Laserstrahls lässt sich grundsätzlich durch eine komplexe Amplitudenfunktion beschreiben, deren Betragsquadrat das Strahlprofil bzw. die Intensitätsverteilung definiert. Zur Beschreibung der Erfindung wird die komplexe Amplitudenfunktion in einen zentralen und einen peripheren, d. h. einen inneren und einen äußeren Abschnitt unterteilt. D. h. der zentrale Abschnitt umfasst das Maximum und den das Maximum unmittelbar umgebenden Abschnitt der Amplitudenfunktion, z. B. bis zum 1,1-fachen der 1/e-Breite der Amplitudenfunktion (entspricht dem 1,1-fachen der 1/e²-Breite der Intensitätsverteilung).
Die Amplitudenfunktion wird mittels eines sogenannten Strahlformers in der Eingangsebene gezielt verändert. Es wurde nun herausgefunden, dass sich mit einem Phasenschieber als Strahlformer wie nachfolgend genauer beschrieben ein gutes Top-Hat-Strahlprofil erzeugen lässt. Erfindungsgemäß besteht der Strahlformer aus einem Phasenschieber, welcher eine Phasenverschiebung des zentralen Abschnitts der Amplitudenfunktion um das Maximum herum relativ zu dem peripheren Abschnitt der Amplitudenfunktion bewirkt. Hierzu besitzt der Phasenschieber einen zentralen und einen peripheren Teil wobei zwischen dem zentralen und dem peripheren Teil eine relative abschnittsweise Phasenverschiebung Δφ der komplexen Amplitudenfunktion des Laserstrahls bewirkt wird, wenn der Laserstrahl auf den Phasenschieber trifft. Der Phasenschieber bewirkt demnach in der Eingangsebene eine Phasenverschiebung der komplexen Amplitudenfunktion in dem zentralen Abschnitt des Laserstrahlprofils relativ zu dem peripheren Abschnitt des Laserstrahlprofils, wenn der Laserstrahl auf den Phasenschieber, genauer wenn der zentrale Abschnitt der Amplitudenfunktion auf den zentralen Teil des Phasenschiebers und der periphere Abschnitt der Amplitudenfunktion auf den peripheren Teil des Phasenschiebers trifft. Die Größe des relativ Phasen-verschiebenden zentralen Teils des Phasenschiebers ist demnach an die Breite des Laserstrahlprofils bzw. der Amplitudenfunktion angepasst, bzw. umgekehrt, damit die relative Phasenverschiebung zwischen dem zentralen und peripheren Abschnitten der Amplitudenfunktion bewirkt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Lasersystem werden demnach der Laserstrahl und der Phasenschieber derart aufeinander ausgerichtet, dass das Maximum der Amplitudenfunktion auf den zentralen Teil des Phasenschiebers und die seitlichen Flanken der Amplitudenfunktion jeweils beidseits des zentralen Teils auf den peripheren Teil des Phasenschiebers treffen. Der Phasenschieber kann demnach auch als transversal oder radial abschnittsweise Phasen-verschiebende Phasenplatte bezeichnet werden. Ein solcher Phasenschieber ist einfach und kostengünstig herstellbar.
Der einfachste Fall des Strahlformers ist ein Phasenschieber mit einem konstanten Phasenhub von (2n – 1)·π, wobei n eine ganze Zahl ist, d. h. ein binärer Phasenschieber mit einem Phasenhub eines ungeradzahligen Vielfachen von π. Dieser einfache Fall wird z. B. durch eine zylindrische Phasenplatte realisiert. Es sind jedoch auch andere Formen des Phasenschiebers möglich, wobei die zylindrische Phasenplatte einen mathematischen Sonderfall der allgemeinen Lösung darstellt. Der Phasenschieber kann transmittiv oder reflektiv ausgebildet sein. Es hat sich ferner gezeigt, dass der Phasenhub nicht notwendigerweise strikt (2n – 1)·π betragen muss, sondern dass es hinreichend ist, wenn der Phasenhub in einem Intervall von ± π / 2 um ein ungeradzahliges Vielfaches von π liegt, also in einem der Intervalle
d. h. allgemein in einem der Intervalle
wobei n eine ganze Zahl ist.
Der Phasenschieber weist insbesondere eine Breite des zentralen Teils in der Größenordnung des Eingangsstrahls auf, z. B. 1 mm bis mehrere Millimeter, was herstellungstechnisch gut handhabbar ist. Um die Breite des Laserstrahls hieran anzupassen, wird der Laserstrahl mittels einer Aufweitungsoptik aufgeweitet. Demnach weist der Laserstrahl nach der Aufweitung eine 1/e-Breite der Amplitudenfunktion ebenfalls in der Größenordnung von mehreren Millimetern auf.
Der Laserstrahl mit abschnittsweise Phasen-verschobener Amplitudenfunktion wird mittels einer fokussierenden Optik in die Arbeitsebene fokussiert. Durch die Fokussierung findet eine Fernfeldabbildung statt, welche mathematisch einer Fourier-Transformation entspricht. Demnach wird die komplexe Amplitudenfunktion des Laserstrahls aus der Eingangsebene in die Arbeitsebene Fourier-transformiert oder ins Fernfeld abgebildet. Hierbei wird das Ziel-Strahlprofil des Laserstrahls, insbesondere ein Top-Hat-Strahl-Profil in der Arbeitsebene als Fourier-Transformierte der Phasen-verschobenen Amplitudenfunktion aus der Eingangsebene erzeugt. Daher wird die fokussierende Optik auch als Fourier-Transformator oder auch Fourier-Linse bezeichnet. Das Top-Hat-Strahlprofil liegt erfindungsgemäß insbesondere in der Fokusebene der Fourier-Linse vor. Mit anderen Worten liegt die Arbeits- bzw. Zielebene vorzugsweise in der Fokusebene der Fourier-Linse.
Insbesondere wird mittels des Phasenschiebers der periphere Abschnitt der Amplitudenfunktion relativ zu dem zentralen Abschnitt der Amplitudenfunktion zu Werten mit umgekehrtem Vorzeichen hin invertiert, oder umgekehrt. Es wird demnach durch die Phasenverschiebung zumindest ein Nulldurchgang der Amplitudenfunktion zwischen dem zentralen und dem peripheren Abschnitt der Amplitudenfunktion erzeugt, so dass die Amplitudenfunktion in dem zentralen und peripheren Abschnitt umgekehrte Vorzeichen aufweist. Dies kann z. B. mit einem Phasensprung von (2n – 1)·π erreicht werden, wobei n eine ganze Zahl ist. Der Betrag der Amplitudenfunktion wird durch den Phasenschieber nicht beeinflusst, es wird lediglich eine Verschiebung der Phase (φ) der komplexen Amplitudenfunktion in der Polardarstellung durchgeführt.
Der Laserstrahl und der zentrale Teil der Phasenplatte werden zwar grundsätzlich lateral relativ zueinander zentriert, in vorteilhafter Weise ist die Ausbildung des Top-Hat-Profils in der Arbeitsebene aber relativ unempfindlich in Bezug auf die laterale Positionierung zwischen Phasenschieber und Laserstrahl sowie auf die axiale Positionierung der Arbeitsebene. Ferner vorteilhaft lassen sich nicht nur ein Top-Hat-Profil, sondern sogar mehrere Top-Hat-Profile an unterschiedlichen axialen Positionen erzeugen.
Vorzugsweise ist das Strahlprofil des Laserstrahls vor der Phasenverschiebung mittels des Phasenschiebers ein Gauss-Strahlprofil mit einer TEM₀₀-Amplitude. Das Gauss-Strahlprofil wird zentriert auf den vorzugsweise spiegel- oder rotationssymmetrischen Phasenschieber gerichtet. Dadurch wird beidseits des Maximums des Gauss-Strahlprofils eine Vorzeichenumkehr der Amplitudenfunktion bewirkt, so dass durch die Phasenverschiebung beidseits des Maximums des Gauss-Strahlprofils jeweils ein Nulldurchgang erzeugt wird und die Amplitudenfunktion in dem zentralen Abschnitt beidseits des Maximums des Gauss-Strahlprofils jeweils ein positives Vorzeichen und in den peripheren Abschnitten beidseits des zentralen Abschnitts jeweils ein negatives Vorzeichen aufweist oder umgekehrt. Vorzugsweise ist demnach die Phasen-verschobene Amplitudenfunktion noch immer im Wesentlichen spiegel- oder rotationssymmetrisch zum Maximum der Eingangs-Gauss-Funktion. Wiederum ist der einfachste, aber nicht notwendig einzige Fall einen Phasenschieber mit jeweils einem Phasensprung von (2n – 1)·π beidseits des Maximums zu verwenden, d. h. ein zylindrischer Phasenschieber mit einer Breite in der Größenordnung des vorzugsweise 1,1-fachen 1/e-Breite der Amplitudenfunktion. Es hat sich gezeigt, dass bei einem einfachen zylindrischen (stufenförmigen) Phasenschieber, d. h. mit einer im Wesentlichen senkrechten Phasenstufe der zentrale Teil des Phasenschiebers eine Breite des 1,1-fachen ±10% der 1/e-Breite der Amplitudenfunktion aufweisen sollte. Durch die Phasenverschiebung um ein ungeradzahliges Vielfaches von π ((2n – 1)·π) wird dann unmittelbar nach der Phasenverschiebung im Bereich des Maximums und der beiden benachbarten peripheren Abschnitte eine Amplitudenfunktion erzeugt, welche im Falle eines Phasenschiebers mit rechteckförmigem Querschnitt an eine Sinus-Cardinalis-Funktion angenähert ist. Dies führt im Fernfeld zu einer guten Annäherung an eine Top-Hat-Funktion.
Eine Apertur zum Beschneiden des Laserstrahlprofils vor dem Phasenschieber ist erfindungsgemäß nicht notwendig. Das Laserstrahlprofil sollte am Ort des Phasenschiebers sogar insbesondere bis mindestens zum 1,85-fachen (ggf. 1,9-fachen) der 1/e-Breite der Amplitudenfunktion aperturfrei sein. Das Laserstrahlprofil trifft demnach als möglichst transversal unbeschnittenes (aufgeweitetes) Gauss-Strahlprofil auf den Phasenschieber. Ferner vorzugsweise ist die Breite des zentralen Teils zusammen mit dem den zentralen Teil umgebenden peripheren Teil der Phasenplatte größer, bevorzugt mindestens 1,85 mal (ggf. 1,9 mal) so groß, wie der aperturfreie Durchmesser des Laserstrahlprofils am Ort des Phasenschiebers.
Mit der vorliegenden Erfindung kann in ferner vorteilhafter Weise sowohl ein eindimensionales als auch ein zweidimensionales Top-Hat-Profil erzeugt werden, nämlich in dem der Phasenschieber transversal eindimensional oder zweidimensional ausgebildet ist, derart, dass der Phasenschieber lediglich in einer Dimension oder in beiden Dimensionen senkrecht zur optischen Achse (Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls) eine Phasenverschiebung der Amplitudenfunktion bewirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für ein zweidimensional verändertes Ziel-Strahlprofil ist der zentrale Teil des Phasenschiebers, welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers bewirkt, eckig, insbesondere quadratisch ausgebildet, so dass der Phasenschieber in der Ebene senkrecht zur optischen Achse eine um das Maximum der Amplitudenfunktion eckige, insbesondere punktsymmetrische Phasenverschiebung bewirkt. Hierdurch wird ein Top-Hat-Strahlprofil mit eckigem Querschnitt senkrecht zur optischen Achse erzeugt. Alternativ kann aber auch ein im Querschnitt rundes, insbesondere kreisförmiges Top-Hat-Strahlprofil erzeugt werden, nämlich in dem der zentrale Teil des Phasenschiebers, welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers bewirkt, rund, insbesondere kreisförmig ausgebildet ist, so dass der Phasenschieber in der Ebene senkrecht zur optischen Achse eine um das Maximum der Amplitudenfunktion runde, insbesondere rotationsymmetrische Phasenverschiebung bewirkt. Es sind weiterhin auch beliebige, polygonförmige Formen des zentralen Bereiches des Phasenschiebers möglich, womit weitere Top-Hat Strahlprofile erzeugt werden können.
Allgemein weist der zentrale Teil des Phasenschiebers, welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers bewirkt, eine halbe Breite ΔS auf, wobei gilt: ΔS = Δs·R_e, mit R_e als der halben 1/e-Breite der Amplitudenfunktion des Eingangsstrahlprofils des Laserstrahls (Gauss-Radius). Die dimensionslose Größe Δs (im Folgenden als „halbe relative Breite Δs” bezeichnet) liegt hierbei im Intervall von Δs ∊ [0,7; 1,7], d. h. ΔS ∊ [0,7; 1,7]·R_e,. Vorzugsweise liegt Δs im Intervall von Δs ∊ [0,7; 1,2], bevorzugt im Intervall Δs ∊ [1; 1,2].
Wie vorstehend bereits beschrieben, ist ein zylindrischer Phasenschieber mit einer Stufe der einfachste Fall. Dieser lässt sich jedoch verallgemeinern und es wurde herausgefunden, dass insbesondere mit folgenden Formen von Phasenschiebern eine abschnittsweise Phasen-verschobene Amplitudenfunktion erzeugt werden kann, die dann im Fernfeld bzw. im Fokus zu einer Top-Hat-Funktion transformiert. Der zentrale Teil des Phasenschiebers, welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers bewirkt, weist eine halbe relative Breite Δs auf und besteht aus:

– entweder einem Plateauteil mit einer halben relativen Plateaubreite Δp = Δs,
– oder einem schrägen Rampenteil mit einer relativen Rampenbreite Δr = Δs,
– oder einem Plateauteil mit einer halben relativen Plateaubreite Δp, und einem schrägen Rampenteil mit einer relativen Rampenbreite Ar, wobei Δs = Δp + Δr beträgt.

Hierbei liegt die halbe relative Breite Δs des zentralen Phasen-verschiebenden Teils im Falle einer relativen Rampenbreite Δr ≈ 0 (womit gilt Δp ≈ Δs) im Intervall Δs ∊ [0,7; 1,2] bevorzugt im Intervall Δs ∊ [1; 1,2] bzw. im Falle einer relativen Rampenbreite Δr > 0 (womit gilt Δs = Δp + Δr) im Intervall Δs ∊ [0,7; 1,7].
Demnach weist der zentrale Teil des Phasenschiebers, welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers bewirkt, eine der folgenden Formen auf:

a) Zylinder mit polygoner Grundfläche,
b) Pyramidenstumpf,
c) Pyramide,
d) Zylinder mit runder Grundfläche,
e) Kegelstumpf oder
f) Kegel.

Hierbei entsprechen die Fälle a) und d) den vorstehend bereits ausführlicher erläuterten Spezialfällen mit Phasenstufe (Δr ≈ 0).
Es wurde herausgefunden, dass auch für die genannten allgemeinen Fälle a) bis f) die Bedingung gelten soll, dass die Phasenverschiebung oder der Phasenhub des Plateauteils (Fälle a), b) d) und e)) oder der Spitze der Pyramide (Fall c)) oder der Spitze des Kegels (Fall f)) relativ zu dem peripheren Teil der Phasenplatte einen Phasenhub einführt, sodass die Amplitudenfunktion zumindest ein Nulldurchgang erfährt. Auch diese Formen lassen sich auf einen eindimensionalen Fall übertragen. Die Pyramide oder der Pyramidenstumpf müssen nicht notwendigerweise eine rechteckige Grundfläche haben, sondern können im allgemeinen eine polygonförmige Grundfläche haben.
Vorzugsweise folgt das Verhältnis aus der halben relativen Breite des Plateauteils und der relativen Breite des Rampenteils für Δr > 0 einem bestimmten Verhältnis, welche sich durch folgende Polynomialnäherung als Funktion f von Δp(f(Δp)) darstellen lässt. Hierbei ist Δs die halbe relative Breite des zentralen Teils des Phasenschiebers, welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers bewirkt, Δp die halbe relative Plateaubreite und Δr die relative Breite des schrägen Rampenteils. Die Summe aus der halben relativen Plateaubreite und der relativen Breite des schrägen Rampenteils ergibt die halbe relative Breite des relativ Phasen-verschiebenden zentralen Teils des Phasenschiebers als Δs = Δp + Δr. Nun gilt für Δr = f(Δp): Δr = f(Δp) = A + B1·Δp + B2·Δp² + B3·Δp³ + B4·Δp⁴ + B5·Δp⁵ + B6·Δp⁶ + B7·Δp⁷ + B8·Δp⁸ + B9·Δp⁹ und zwar mit folgenden Koeffizienten:
A = +1,03979
B1 = +2,29624
B2 = –28,682
B3 = +174,0617
B4 = –605,53235
B5 = +1205,41588
B6 = –1392,66748
B7 = +906,36127
B8 = –298,64468
B9 = +36,41503
Es hat sich gezeigt, dass gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Werte für Δp und Δr in dem Streifenintervall Δr = f(Δp) = A + B1·Δp + B2·Δp² + B3·Δp³ + B4·Δp⁴ + B5·Δp⁵ + B6·p⁶ + B7·Δp⁷ + B8·Δp⁸ + B9·Δp⁹ ± 0,35 liegen. Diese Funktion definiert also ein Streifenintervall der Breite ±0,35 um die Idealfunktion.
Auch in diesem Fall gilt, dass die Phasenverschiebung bzw. der Phasenhub im Bereich des Plateauteils der Phasenplatte relativ zu dem peripheren Teil der Phasenplatte ein ungeradzahliges Vielfaches von π beträgt bzw. in einem der Intervalle
liegt, wobei n eine ganze Zahl ist.
Es ist erkennbar, dass ein zylindrischer Phasenschieber mit Stufenfunktion ein Spezialfall eines Phasenschiebers mit Δr → 0 darstellt. Es ist ersichtlich, dass Δr nicht mathematisch exakt gleich null herstellbar ist. Die Stufe sollte für diesen Grenzfall je nach Herstellungsverfahren eine maximale relative Breite, d. h. eine Toleranz von etwa 0,05, vorzugsweise 0,025, besonders bevorzugt 0,01 nicht übersteigen. Dies entspricht bei einem Gaussradius R_e = 1 mm, 50 μm, vorzugsweise 25 μm, besonders bevorzugt 10 μm.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1a) ein typisches Beugungsmuster eines Diffusor-Strahlformers und b) ein typisches unregelmäßiges Ausgangsmuster,
2 typische zweidimensionale Phasenfunktion a) eines refraktiven Top-Hat-Strahlformmers und b) seine diffraktive Variante,
3a) eine Linsenanordnung, welche als Strahlhomogenisierer verwendet wird und b) die zugehörige optische Anordnung,
4 die erfindungsgemäße Veränderung der Amplitudenfunktion mit einem zylinderförmigen Phasenschieber in der Eingangsebene,
5a) die Intensitätsverteilung eines beugungsbegrenzten Gauss-Profils und b) das Intensitätsprofil in Form des erfindungsgemäß erzeugten Top-Hat-Profils in der Fokusebene der Fourier-Linse (Fourier-Ebene) nach Phasenverschiebung gemäß 4,
6 einen schematischen Querschnitt durch eine 1-f optische Anordnung,
7 Strahlprofile bzw. Intensitätsverteilungen an unterschiedlichen Positionen entlang der optischen Achse,
8 Strahlprofile bzw. Intensitätsverteilungen in der Fokusebene für unterschiedliche Verhältnisse des Durchmessers des zentralen Phasen-verschiebenden Teils der Phasenplatte und des 1/e²-Durchmessers des eingehenden Gauss-Strahlprofils,
9 eine schematische Darstellung der optischen Anordnung für einen Strahlteiler,
10 Darstellung eines Ring-Strahlprofils, welches erfindungsgemäß erzeugt werden kann,
11a) ein Beispiel für einen zweidimensionalen zylindrischen (binären) Phasenschieber mit quadratischem Querschnitt und b) einen eindimensionalen zylindrischen Phasenschieber,
12 eine schematische Darstellung des Aufbaus für eine Materialbearbeitungsstation gemäß der vorliegenden Erfindung (rechts) sowie Darstellungen des Laserstrahlprofils vor der Strahlformung (links oben) sowie nach der Strahlformung (links unten),
13 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Herstellungsprozesses für den Phasenschieber,
14a) Phasenschieber mit zylindrischer Form,
14b) Phasenschieber mit Plateauteil und Rampenteil,
14c) Phasenschieber nur mit Rampenteil ohne Plateauteil,
15 Funktion Δr = f(Δp) mit Streifenintervall ±0,35.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung 1 zur Strahlformung zur Verfügung gestellt, mit welcher insbesondere ein Gauss-Strahlprofil in ein sogenanntes Top-Hat-Strahlprofil umgeformt werden kann. Die Erzeugung eines Top-Hat-Strahlprofils ist jedoch nur eine, wenngleich wichtige Möglichkeit, grundsätzlich ist aber auch die Erzeugung anderer Ziel-Strahlprofile aus einem Gauss-Strahlprofil möglich. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Laserstrahl mit fundamentaler Gauss-Strahlprofil-Mode näherungsweise an eine sogenannte „Sinc-Mode” angepasst wird. Das bedeutet, dass die Amplitudenfunktion des Laserstrahlprofils an eine Sinus-Cardinalis-Funktion angenähert wird, was dann durch Propagation ins Fernfeld zu einem Strahlprofil mit möglichst rechteckigem Strahlprofil resultiert. Das Fernfeld ist z. B. in der rückwärtigen Fokusebene einer fokussierenden Optik, d. h. einer Fourier-Linse zu finden, so dass die Arbeitsebene in der Fokusebene der Fourier-Linse liegt. Die Propagation des Laserstrahls von der Fourier-Linse in die Fokusebene bewirkt eine Fourier-Transformation der abschnittsweise Phasen-verschobenen Amplitudenfunktion des Laserstrahls, wodurch in der Fokusebene das Top-Hat-Strahlprofil entsteht. Im einfachsten Fall wird hierfür ein zylindrischer binärer Phasenschieber, beispielsweise auf runder, polygoner, z. B. rechteckiger vorzugsweise quadratischer Grundfläche verwendet, dessen Funktionsweise nachfolgend genauer erläutert wird.
Bei einem zylindrischen Phasenschieber wird eine Phasenverschiebung von Δφ = (2n – 1)·π (entspricht „Modulo” 180°) an den Stellen des Gauss-Strahlprofils erzeugt, wo die zugehörige Sinus-Cardinalis-Funktion negativ ist. Dadurch kann eine Annäherung an die erwünschte Sinus-Cardinalis-Funktion erreicht werden. Eine Phasenverschiebung zwischen φ = 0 und φ = π, also Δφ = π erzeugt eine Vorzeichenumkehr ohne Auswirkung auf die Strahlpropagation. Daher kann die Annäherung der Gauss-Mode an die Sinc-Mode z. B. durch eine einfache binäre Phasenplatte mit einer Phasenverschiebung von Δφ = π mit einem Durchmesser von etwa dem 1,1-fachen des 1/e-Durchmessers bezogen auf die Amplitudenfunktion im Zentrum des Gauss-Strahls, d. h. im zentralen Teil der Phasenplatte gegenüber dem peripheren Teil der Phasenplatte erzielt werden. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass es lediglich auf die relative Phasenverschiebung Δφ zwischen dem zentralen und dem peripheren Teil ankommt.
4 zeigt die Auswirkung der Phasenplatte auf die Amplitudenfunktion des Laserstrahls.
4a) zeigt eine Sinus-Cardinalis-Funktion, welche den Idealzustand in der Eingangsebene 11 darstellt, da die Sinus-Cardinalis-Funktion durch Propagation im Fernfeld zu einer Top-Hat-Funktion (Rechteck-Funktion) Fourier-transformiert wird. Die x-Achse zeigt einen Querschnitt in einer Dimension in der Eingangsebene 11 und die y-Achse die Amplitude der komplexen Amplitudenfunktion in willkürlichen Einheiten.
4b) zeigt die Amplitudenfunktion eines typischen Eingangsstrahls mit einem Gauss-Strahlprofil.
4c) zeigt die Phasenverschiebung in radian im Querschnitt des Strahlprofils erzeugt durch eine binäre Phasenplatte. Es wird eine relative Phasenverschiebung zwischen dem zentralen Teil 12 und dem peripheren Teil 14 des Phasenschiebers bewirkt. In diesem Beispiel ist der Übergang durch eine Stufe 16 symmetrisch jeweils links und rechts des Maximums 25 der Amplitudenfunktion realisiert. Es handelt sich demnach um einen sogenannten binären Phasenschieber, welcher beidseits des Maximums 25 zwischen dem zentralen und dem peripheren Teil 12, 14 des Phasenschiebers 10 lediglich eine Phasenverschiebung an der Stelle 16, in diesem Beispiel eine Stufe, bewirkt. Die Amplitudenfunktion 22 läßt sich in einen zentralen Abschnitt 22a und einen peripheren Abschnitt 22b unterteilen, zwischen welchen die relative Phasenverschiebung bewirkt wird. Die Darstellung ist naturgemäß auf eine Dimension beschränkt. Der Phasenschieber 10 kann in der zweidimensionalen Ebene quer zur optischen Achse entsprechend rund oder polygon, z. B. viereckig ausgebildet sein, es kann allerdings auch eine eindimensionale Phasenverschiebung vorgenommen werden, je nach dem, welches Strahlprofil in der Arbeits- bzw. Zielebene erzeugt werden soll, wie an den nachfolgenden Beispielen noch deutlich werden wird. Es ist aber ersichtlich, dass sich die peripheren Teile und der zentrale Teil des Phasenschiebers nicht periodisch wiederholen, d. h. kein periodisches Gitter bilden.
Die laterale Position der Phasenstufen 16 liegt beidseits der optischen Achse A idealerweise jeweils beim 1,1-fachen der halben 1/e-Breite, welche durch die gestrichelte Linie 18 repräsentiert ist. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, besitzt die Amplitudenfunktion 22 des Gauss-Strahlprofils beim 1,1-fachen der halben 1/e-Breite eine Amplitude, die etwa 30% der Maximalamplitude entspricht, was etwa 9% der Maximalintensität (Betragsquadrat der Amplitude) entspricht.
4d) zeigt die mittels des Phasenschiebers 10 modifizierte Amplitudenfunktion des Laserstrahlprofils mit dem Phasensprung von π an der Stelle des 1,1-fachen der halben 1/e-Breite 18. Demnach weist die in der Eingangsebene 11 aus der Gauss-Amplitudenfunktion 22 modifizierte Amplitudenfunktion 24 symmetrisch beidseits des Maximums 25 beim 1,1-fachen der halben 1/e-Breite 18 Inversionsstellen bzw. Nulldurchgänge 26 auf. In diesem Beispiel wurde der periphere Abschnitt 22b der Amplitudenfunktion gegenüber dem zentralen Abschnitt 22a der Amplitudenfunktion invertiert. Es ist ersichtlich, dass genauso gut der zentrale Abschnitt 22a invertiert werden kann, es kommt nur auf die relative Phasenverschiebung an. Es hat sich gezeigt, dass eine Positionierung der Nulldurchgänge 26 bei etwa dem 1,1-fachen der halben 1/e-Breite eine gute Annäherung an die mathematisch ideale Rechteckfunktion in der Fokusebene ergibt. Es wird also unmittelbar strahlabwärts des Phasenschiebers 10 eine Sincähnliche Amplitudenfunktion in x- und y-Richtung erzeugt. Damit können nicht nur runde, sondern auch Top-Hat-Strahlprofile mit polygoner, z. B. rechteckiger oder quadratischer Form erzeugt werden.
Das Ergebnis ist in 5 dargestellt. 5a) zeigt die Intensitätsfunktion oder das Strahlprofil eines unbeeinflussten Laserstrahls mit Gauss-Strahlprofil, d. h. einen beugungslimitierten Fokus des Laserstrahls mit Gauss-Mode. 5b) zeigt das Intensitätsprofil 34 des Laserstrahls in der Arbeits- bzw. Zielebene (hier Fokusebene) nach der in 4 dargestellten Phasenverschiebung in der Eingangsebene. Für dieses Beispiel wurde eine fokussierende Optik mit einer numerischen Apertur NA ≈ 0,01 und einer Wellenlänge λ = 0,532 μm verwendet. Die x-Achse zeigt einen lateralen Querschnitt durch das Laserstrahlprofil in der Fourier-Ebene, d. h. der Fokusebene in μm und die y-Achse zeigt die Intensität in willkürlichen Einheiten. Es ist erkennbar, dass das Ergebnis einer binären Phasenplatte mit einer einfachen Phasenstufe von π angewendet auf einen Gauss-Strahl keine perfekte Sinus-Cardinalis-Funktion ergibt (vgl. 4d)). Daher stellt auch das Ergebnis der modifizierten Gauss-Funktion, propagiert in die Fourier-Ebene (5b)) keine mathematisch perfekte Rechteckfunktion dar. Überraschend ist dennoch, dass mit derart einfachen Mitteln eine relativ gute Annäherung an ein mathematisch perfektes Rechteckprofil erreicht werden kann, so dass im Rahmen der fachüblichen Toleranz von einem Top-Hat-Strahlprofil 34 als Fernfeldverteilung in der Fokusebene gesprochen werden kann.
Wenn die binäre Phasenplatte einen quadratischen Phasen-verschiebenden Teil aufweist, wie z. B. in 11 dargestellt ist, dann ist das Ergebnis ein Top-Hat Strahlprofil mit quadratischem Querschnitt. Allerdings können auch andere Strahlprofilformen erzeugt werden z. B. ein Top-Hat-Strahlprofil mit rundem Querschnitt, nämlich wenn die binäre Phasenplatte einen runden, rotationssymmetrisch Phasen-verschiebenden Teil aufweist.
Es ist ersichtlich, dass mit der Erfindung lediglich ein Minimum an Phasenmodulation erzeugt wird, wodurch die Anordnung relativ unempfindlich in Bezug auf die dreidimensionale Ausrichtung und die Strahlhomogenität ist.
Die Konversion einer Gauss-Amplitudenfunktion 22 mit TEM₀₀-Mode in eine Amplitudenfunktion 24, welche an die Sinus-Cardinalis-Funktion angenähert ist und im Fernfeld zu einem Top-Hat-Strahlprofil 34 Fourier-transformiert wird, wird hier als „fundamental beam-mode shaping” FBS bezeichnet. Sinus-Cardinalis- und Top-Hat-Funktionen stellen nämlich wie Gauss-Gauss-Funktionen gemäß Goodman Fourier-Paare dar. Daher können die zugehörigen Intensitätsverteilungen als fundamentale Strahlmoden angesehen werden.
Bezug nehmend auf 6 kann der experimentelle Aufbau eines Lasersystems mit dem erfindungsgemäßen Strahlformer in Form eines Phasenschiebers 10 zur Erzeugung eines Top-Hat-Strahlprofils sehr einfach ausgeführt sein. 6 zeigt einen sogenannten 1-f optischen Aufbau, bei welchem ein aufgeweiteter paralleler kohärenter Laserstrahl mit Gauss-Strahlprofil auf den Strahlformer in Form der Phasenplatte 10 in der Eingangsebene 11 geschickt wird. Die Phasenplatte 10 ist in diesem Beispiel transmittiv ausgebildet, eine reflektive Anordnung ist allerdings genauso denkbar. Der Phasen-verschobene Laserstrahl mit der modifizierten Amplitudenfunktion 24 wird durch eine Fourier-Linse 42 in die Fokusebene 44 fokussiert, was mathematisch einer Fourier-Transformation der Amplitudenfunktion entspricht. Daher wird die Fokusebene 44 manchmal auch als Fourier-Ebene bezeichnet. In der Arbeitsebene 46, welche in diesem Beispiel die Fokusebene 44 ist, entsteht durch die Strahlformung das erwünschte Ziel-Strahlprofil 34, in diesem Beispiel das Top-Hat-Strahlprofil.
Der Strahlformer besteht demnach aus einem einzigen optischen Element nämlich dem Phasenschieber 10. Es ist schon überraschend, mit welch einfachen Mitteln, nämlich einer binären Stufenphasenplatte 10 bereits ein relativ gutes Top-Hat-Strahlprofil 34 erzeugt werden kann, wie aus 4 und 5 ersichtlich ist.
Vorstehend wurden Beispiele erläutert, in denen die Arbeits- bzw. Zielebene 46 in der Fokusebene 44 der Fourier-Linse 42 liegen. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Die mit Hilfe des Phasenschiebers 10 modifizierte Amplitudenfunktion des Laserstrahls und damit das Laserstrahlprofil verändern sich auch entlang der optischen Achse A, d. h. entlang der Propagation des Laserlichts, so dass die Form des Laserstrahlprofils von der longitudinalen Positionierung der Arbeitsebene 46 abhängt. In den vorstehend beschriebenen Beispielen ist die Arbeitsebene 46 in der Fokusebene 44 der Fourier-Linse 42 angeordnet. 7 zeigt die Veränderung des Laserstrahlprofils an verschiedenen Positionen entlang der optischen Achse A für das in 4 und 5 dargestellte Beispiel in Zusammenhang mit dem Aufbau in 6.
Die Bedingungen des optischen Aufbaus sind wie folgt: Der 1/e-Durchmesser der Amplitudenfunktion des Eingangslaserstrahls mit Gauss-Profil ist 2ω = 2 mm . Der Durchmesser des zentralen Teils der Phasenplatte ist d = 2,2 mm, d. h. der Phasensprung 16 der in diesem Beispiel rotationssymmetrischen binären Phasenplatte ist bei 1,1·R_e positioniert. Die Wellenlänge beträgt λ = 532 nm. Die Brennweite f der Fourier-Linse beträgt f = 150 mm. Die Darstellungen a), b), c), d), e) zeigen die Entwicklung des Strahlprofils entlang der optischen Achse A mit der Phasenplatte 10, wobei die Darstellung c) in der Fokusebene liegt und somit das Top-Hat-Strahlprofil 34 wie 5b) zeigt.
Die Darstellung 7c') zeigt zum Vergleich das Laserstrahlprofil in der Fokusebene ohne Phasenplatte 10. Es ist anhand der Darstellungen a), b), c), d), e) erkennbar, wie sich das Laserstrahlprofil entlang der optischen Achse A verändert, so dass je nach Positionierung der Arbeitsebene 46 entlang der optischen Achse A, ggf. auch abweichend von der Fokusebene 44, unterschiedliche Ziel-Strahlprofile erzeugen lassen.
Das optimale Top-Hat-Strahlprofil, also das Top-Hat-Strahlprofil mit kleinster Breite und bester Top-Hat Form wird bei einer binären Phasenplatte in der Fokusebene 44 im Abstand f zur Fourierlinse erzeugt. Darüber hinaus entstehen aber auch noch je ein weiteres Top-Hat-Strahlprofil mit etwa doppelter Breite vor und hinter der Brennebene (7b) und 7d)) und je ein weiteres Top-Hat-Strahlprofil mit etwa dreifacher Breite (7a) und 7e)) in entsprechend größeren Abständen vor und hinter der Brennebene. Auch diese können ggf. genutzt werden.
Das Laserstrahlprofil ist jedoch nicht nur abhängig von der Position entlang der optischen Achse A, sondern auch vom Verhältnis der Durchmesser des eingehenden Gauss-Strahls und des Durchmessers des zentralen Teils 12 der Phasenplatte 10, d. h. in dem Beispiel aus 4 bis 6 der Position der Phasenstufe 16. Bei einer einzigen Phasenstufe (4 bis 6) erhält man in der Fokusebene das bestmögliche Top-Hat-Strahlprofil bei 1,1·R_e. Weicht man jedoch hiervon ab, lassen sich in der Fokusebene auch andere nützliche Ziel-Strahlprofile erzeugen. Diesbezüglich zeigt 9 Laserstrahlprofile in der Fokusebene 44 für unterschiedliche Verhältnisse des Durchmessers der Phasenplatte 10 (genauer des zentralen Teils 12 der Phasenplatte 10 bzw. Position der Phasenstufe 16) zum Gauss-Strahldurchmesser (1/e-Durchmesser bezogen auf die Amplitudenfunktion 22, entsprechend dem 1/e²-Durchmesser bezogen auf die Intensitätsfunktion).
Die Darstellungen beziehen sich auf einen optischen Aufbau mit einem 1/e-Durchmesser der Amplitudenfunktion des Eingangs Gauss-Strahls mit 20ω = 2 mm sowie einer Wellenlänge λ = 532 nm und einer Brennweite f der Fourier-Linse f = 150 mm. Der Durchmesser des zentralen Teils 12 der Phasenplatte 10 wird von d = 0,4 mm bis d = 4 mm variiert. Die jeweiligen Durchmesserverhältnisse sind über den Graphen notiert. Die 8g) zeigt wiederum das Durchmesserverhältnis von 1,1, bei welchem das bestmögliche Top-Hat-Strahlprofil 34 in der Fokusebene 44 entsteht (entsprechend 5b)).
Bezug nehmend auf 8e) ist erkennbar, dass mit einem Durchmesserverhältnis von 0,744 ein Doppel-Strahlprofil 34 erzeugt werden kann. Dies bedeutet bei Verwendung eines zweidimensionalen Phasenschiebers wie in 11a) dargestellt ist, die Ausbildung eines ring- oder Donut-förmigen Strahlprofils, wie in 10 dargestellt ist. Dies kann je nach Form (rund oder eckig) der Phasenplatte ebenfalls rund oder eckig oder anderweitig geformt gestaltet werden. Verwendet man eine eindimensionale Phasenplatte 10, wie in 11b) dargestellt ist, lässt sich ein Laserstrahl mit zwei nebeneinander angeordneten Maxima erzeugen. Bezug nehmend auf 9 kann mit einem derartigen Laserstrahlprofil mit zwei separierten Gauss-Maxima z. B. eine Vorrichtung zum Strahlteilen gebaut werden, wie in 9 gezeigt ist. Das Eingangs-Gauss-Strahlprofil 32 trifft auf den in 11b) gezeigten Phasenschieber 10 zur Modifizierung der Amplitudenfunktion mit dem Durchmesserverhältnis von 0,744, wie in 8e) dargestellt ist. Nach Fourier-Transformation, d. h. Fokussierung mit der Fourier-Linse 42 ergibt sich in der Fokusebene 44 das in 8e) dargestellte Laserstrahlprofil 34' mit zwei separaten Maxima 34a und 34b. Anschließend kann der Laserstrahl mit einem Strahlteiler, z. B. einem Prisma 52 in zwei getrennte Laserstrahlen 54a und 54b geteilt werden.
Beispielsweise sind weitere Strahlformungen mit der Erfindung möglich:

– ein linienförmiges Top-Hat-Profil, in dem eine eindimensionale Top-Hat-Funktion mit dem in 11b) dargestellten Phasenschieber in Kombination mit einer Zylinderlinse, die eine Fokuslinie erzeugt generiert werden. Hierdurch erhält man eine eindimensionale Top-Hat-Funktion senkrecht zur Fokuslinie.
– ein Donut- oder ringförmiges Strahlprofil (34''), z. B. in dem ein Phasenschieber 10 mit einem zentralen Teil 12 verwendet wird, welcher kleiner ist, als der 1/e-Gauss-Strahl-Durchmesser des Eingangslaserstrahls, z. B. wie in 8e) dargestellt ist. Hierdurch erhält man in der Fokusebene einen Laserstrahl mit einem Donut-förmigen oder ringförmigen Strahlprofil mit geringer Intensität im Zentrum und hoher Intensität in einer ringförmigen Verteilung um das Zentrum, vergleichbar einem Vulkankegel, wie in 10 dargestellt ist. Das Laserstrahlprofil der 10 besitzt einen Ringdurchmesser von etwa 60 μm in der Fokusebene einer Fourier-Linse mit der Brennweite f = 150 mm.

11a) zeigt ein Beispiel für einen Phasenschieber 10, welcher hier als zweidimensional bezeichnet wird, d. h. dessen zentraler Teil 12 vom peripheren Teil 14 in beiden Dimensionen (x, y) umgeben ist, so dass die Phasenstufe 16 einen, in diesem Beispiel quadratischen, Ring bildet. Der Phasenschieber 10 in 11a) bewirkt demnach eine Phasenverschiebung um (2n – 1)·π (Modulo 180°) zwischen dem zentralen weißen Teil 12 und dem peripheren schwarzen Teil 14. Mit diesem Phasenschieber 10 können im Querschnitt quadratische Strahlprofile, z. B. ein quadratisches Top-Hat-Strahlprofil erzeugt werden.
Bei einem zweidimensionalen Phasenschieber 10 ist demnach der periphere Teil 14 als Ring ausgebildet welcher den zentralen Teil 12 ringförmig umgibt.
11b) zeigt einen eindimensionalen Phasenschieber, welcher lediglich in der y-Richtung Phasenstufen erzeugt, nicht jedoch in der x-Richtung. Dieser kann z. B. verwendet werden, um linienförmige Top-Hat-Strahlprofile zu erzeugen oder gemäß 9 eine Vorrichtung zur Strahlteilung zu bauen.
Mögliche Anwendungsgebiete der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht eine Optimierung der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen, da das übliche Gauss-Strahlprofil eines Laserstrahls häufig aufgrund seiner Intensitätsverteilung hierfür nicht oder nicht ausreichend geeignet ist. Z. B. werden Top-Hat-Strahlprofile 34, wie sie mit der Erfindung erzeugt werden können, für die Herstellung von Solarzellen eingesetzt, wobei eine dünne ITO-Schicht (Indiumzinnoxid) selektiv in dünnen Streifen abladiert wird, ohne die darunter liegende Siliziumschicht zu beschädigen. Ein Laserstrahl mit einem Gauss-Strahlprofil kann leicht die Siliziumschicht beschädigen. Ein Top-Hat-Strahlprofil gewährleistet hingegen eine gleichmäßigere Ablation.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikro-Materialbearbeitungsstation 60 mit einem Laser 62, einem Teleskop 64 zur Strahlaufweitung, dem Strahlformer in Form der Phasenplatte 10, einem Ablenkspiegel 66, der Fourier-Linse 42 sowie dem mittels des Laserstrahls zu bearbeitenden Werkstück 68 auf einem zweidimensional steuerbaren Scanntisch 70. Der Laserstrahl 72 wird mittels der Aufweitungsoptik in Form des Teleskops 64 auf einen Durchmesser von typisch einigen Millimetern (1/e²-Durchmesser der Intensitätsfunktion) aufgeweitet. Der parallel ausgeweitete Laserstrahl durchquert die Phasenplatte 10 und erfährt die vorstehend beschriebene Phasenverschiebung in der sogenannten Eingangsebene. Der aufgeweitete und Phasen-verschobene Laserstrahl 74 wird von dem Ablenkspiegel 66 reflektiert und von der Fourier-Linse 42 in die Fokusebene 44 fokussiert. In diesem Beispiel liegt die Oberfläche des Werkstücks 68, welche die Arbeitsebene 46 definiert, in der Fokusebene 44. Der Laserstrahl wird mittels Bewegung des Scanntisches 70 über das Werkstück 68 gescannt. Bei diesem Aufbau kann der erfindungsgemäße Strahlformer 10 an jeder Position zwischen dem Teleskop 64 und der Fourier-Linse 42 angeordnet werden. Es ist sogar denkbar, dass der Phasenschieber in den Ablenkspiegel 66 oder ggf. sogar in die Fourier-Linse 42 integriert wird.
Im linken Teil der 12 ist oben eine zweidimensionale Darstellung des Gauss-Strahlprofils 32 des ursprünglichen Laserstrahls 72 dargestellt, welcher nach Aufweitung durch das Teleskop 64, Phasenverschiebung durch den Phasenschieber 10 und Transformation ins Fernfeld mittels der Fourier-Linse 42 das rechteckige Top-Hat-Strahlprofil 34 in der Arbeitsebene 46 annimmt. In diesem Beispiel wird eine zweidimensionale rechteckige binäre Phasenplatte 10, wie in 11a) dargestellt ist, verwendet, um das dargestellte Ziel-Strahlprofil 34 zu erreichen.
Herstellung des Phasenschiebers
Die Phasenverschiebung Δφ durch den Phasenschieber 10, bevorzugt Δφ = (2n – 1)·π, kann z. B. durch eine lokale Veränderung des Brechungsindex Δn eines transparenten Materials, z. B. Glas oder ein transparentes Polymer erzeugt werden. Alternativ kann auch ein Substrat aus einem transparenten Material im zentralen oder peripheren Teil 12, 14 des Phasenschiebers 10 mit einer Tiefe d geätzt werden, so dass der Phasenhub durch unterschiedliche Dicken des zentralen und peripheren Teils 12, 14 des Phasenschiebers erzeugt wird. Hierfür gilt Δφ = (2 π/λ)·d·Δn. Derartige Oberflächenstrukturen können z. B. mit bekannten fotolithographischen Verfahren in Glas geätzt werden, wie in 13 schematisch dargestellt ist.
Weitere Formen des Phasenschiebers
Vorstehend wurde die Erfindung anhand von Phasenschiebern 10 mit stufenförmiger Phasenverschiebung erläutert. Es wurde allerdings herausgefunden, dass zur Erzeugung von Top-Hat-Strahlprofilen in der Arbeitsebene 46 auch andere Strukturformen verwendet werden können, sofern bestimmte geometrische Bedingungen eingehalten werden.
14a) zeigt zunächst einen Phasenschieber 10 mit Phasenstufen 16, wie vorstehend erläutert. Die linke Darstellung zeigt einen schematischen Schnitt durch den Phasenschieber 10, welcher gemäß den beiden rechten Darstellungen z. B. rechteckig oder kreisrund ausgebildet sein kann.
14b) zeigt einen Phasenschieber 10 mit einem Plateaubereich 82a, der halben relativen Plateaubreite Δp (relative Größe bezogen auf den Gaussradius R_e) und einem schrägen Rampenbereich 82b der relativen Breite Δr, welche gemeinsam die halbe relative Breite Δs des zentralen Teils 12 des Phasenschiebers 10 bilden. Es gilt also Δs = Δp + Δr. Zweidimensional entspricht diese Form einem Pyramidenstumpf oder Kegelstumpf, wie in den beiden rechten Darstellungen der 14b) zu sehen ist.
14c) zeigt einen Phasenschieber 10, bei dem der zentrale Bereich 12 ausschließlich aus dem Rampenteil 82b besteht. Zweidimensional bedeutet dies eine Pyramidenfunktion oder Kegelfunktion, wie in den beiden rechten Darstellungen der 15c) zu sehen ist.
Demnach lässt sich dieser Phasenschieber 10 dahingehend verallgemeinern, dass der zentrale Teil 12 des Phasenschiebers aus einem Plateaubereich 82a und/oder einem Rampenbereich 82b besteht, wobei die halbe relative Breite Δs des zentralen Teils 12 gleich der Summe aus den der halben relativen Plateaubreite Δp des Plateaubereichs 82a und des Rampenbereichs 82b Δr ist. Die beiden in 14a) und 14c) dargestellten Beispiele stellen demnach die Grenzwerte der allgemeinen Form für Δr → 0 bzw. Δp → 0 dar.
Für Δr > 0 lässt sich nun mit folgenden Bedingungen ein Top-Hat-Strahlprofil in der Fokusebene 44 erzeugen:
Die Phasenverschiebung oder das Phasenhub Δφ zwischen dem zentralen Teil 12 und dem peripheren Teil 14 des Phasenschiebers 10 beträgt (2n – 1)·π. Drückt man die relative Rampenbreite Δr als Funktion der halben relativen Plateaubreite Δp aus, wobei weiterhin gilt Δs = Δp + Δr, so lässt sich diese Funktion Δr = f(Δp) näherungsweise als Polynom neunten Grades wie folgt darstellen: Δr = f(Δp) = A + B1·Δp + B2·Δp² + B3·Δp³ + B4·Δp⁴ + B5·Δp⁵ + B6·Δp⁶ + B7·Δp⁷ + B8·Δp⁸ + B9·Δp⁹ und zwar mit folgenden Koeffizienten:
A = ±1,03979
B1 = +2,29624
B2 = –28,682
B3 = +174,0617
B4 = –605,53235
B5 = +1205,41588
B6 = –1392,66748
B7 = +906,36127
B8 = –298,64468
B9 = +36,41503
Die Polynom-Funktion Δr = f(Δp) ist in 15 mit der durchgezogenen Linie 92 dargestellt. Selbstverständlich muss diese Funktion nicht strikt eingehalten werden, um ein brauchbares Top-Hat-Strahlprofil zu erzielen, sondern es genügt die Einhaltung eines gewissen Intervallstreifens mit einer Breite von etwa ±0,35, welcher durch die beiden gepunkteten Linien 94 repräsentiert wird.

Der maximale Phasenhub Δφ des zentralen Teils 12 gegenüber dem peripheren Teil 14 beträgt jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von π also (2n – 1)·π. Die halbe Breite ΔS des zentralen Teils 12 des Phasenschiebers 10 beträgt für Δr > 0 im Rahmen der durch die vorstehende beschriebene Polynomfunktion und der vorgegebenen Toleranzbreite je nach Größe der halben relativen Plateaubreite Δp das 0,7 bis 1,7 fache des 1/e-Gauss-Radius der Amplitudenfunktion des Laserstrahls, sowie er zentriert auf den Phasenschieber 10 trifft. Vorzugsweise verhalten sich die jeweiligen relativen Größen Δp, Δr = f(Δp) und Δs = Δp + Δr wie in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgelistet ist, wobei die Werte der beiden rechten Spalten das bevorzugte Intervall für den Wert Δs begrenzen und zwischen den diskreten Werten interpoliert werden kann. Tabelle 1:

Δp	Δr	Δs	Δs – 0,35	Δs + 0,35
0	1,04	1,04	0,69	1,39
0,1	1,1	1,2	0,85	1,55
0,2	1,09	1,29	0,94	1,64
0,3	1,02	1,32	0,97	1,67
0,4	0,965	1,365	1,015	1,715
0,5	0,86	1,36	1,01	1,71
0,6	0,7	1,3	0,95	1,65
0,7	0,555	1,255	0,905	1,605
0,8	0,385	1,185	0,835	1,535
0,9	0,2	1,1	0,75	1,45
1	0,065	1,065	0,715	1,415

Es sollte noch angemerkt werden, dass der Aufbau gemäß 6 mit dem Phasenschieber 10 nicht nur eine Top-Hat-Funktion in der Fokusebene 44, d. h. im Abstand der Brennweite f zur Fourier-Linse 42 erzeugt, sondern dass weitere Top-Hat-Profile strahlaufwärts und strahlabwärts der Fokusebene 44 erzeugt werden (vgl. 7).
Ferner vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gleichzeitig bei mehreren Wellenlängen λ arbeiten kann. So arbeitet ein auf eine bestimmte Wellenlänge λ angepasster Phasenschieber auch bei einem Drittel der Wellenlänge (falls das verwendete Glas dort noch Transmission zeigt). Z. B. funktioniert eine auf 1064 nm optimierte Vorrichtung 1 auch bei 355 nm (wenn z. B. Quarzglas verwendet wird). Die Stufenhöhe der Phasenstufe wird so gewählt, dass sie einen Phasenhub eines ungeradzahligen Vielfachen von λ/2 erzeugt. Dadurch können auch Vorrichtungen höherer Ordnung hergestellt werden, die z. B. einen Phasenhub von 11·λ/2 für die erste Wellenlänge (Materialbearbeitungslaser) erzeugen und 13·λ/2 bei einer zweiten Wellenlänge (Pilotlaser). Hiermit kann also ein Lasersystem gebaut werden, welches mittels desselben Phasenschiebers für zwei unterschiedliche Laserwellenlängen Top-Hat-Strahlprofile erzeugt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Diffraction limited domain flat-top generator” von Ido Gur und David Mendlovic in Optics Communications 145 (1998), 237–248 [0011]
Appl. Optics 21 (1982) 3209 [0011]

Claims

Vorrichtung zur Strahlformung (1) eines Laserstrahls (72), um aus einem Eingangsstrahlprofil (32) des Laserstrahls (72) in einer Eingangsebene (11) ein vordefiniertes Ziel-Strahlprofil (34) des Laserstrahls, insbesondere ein Zylinder-Strahlprofil, in einer Arbeitsebene (46) zu erzeugen, wobei das radiale Strahlprofil des Laserstrahls durch eine komplexe Amplitudenfunktion (22) definiert ist und sich die komplexe Amplitudenfunktion (22) in einen zentralen und einen peripheren Abschnitt (22a, 22b) unterteilen lässt, umfassend einen Strahlformer in der Eingangsebene (11), wobei der Strahlformer als Phasenschieber (10) mit einem zentralen und einem peripheren Teil (12, 14) ausgebildet ist und zwischen dem zentralen und dem peripheren Teil (12, 14) eine Phasenverschiebung (Δφ) der komplexen Amplitudenfunktion des Laserstrahls (72) bewirkt wird, so dass in der Eingangsebene (11) mittels des Phasenschiebers (10) die Phase (φ) der komplexen Amplitudenfunktion (22) in dem zentralen Abschnitt (22a) des Laserstrahlprofils relativ zu dem peripheren Abschnitt (22b) des Laserstrahlprofils verschoben wird, wenn der Laserstrahl (72) auf den Phasenschieber (10) trifft und eine fokussierende Optik (42) mittels welcher die abschnittsweise Phasen-verschobene komplexe Amplitudenfunktion (24) des Laserstrahls aus der Eingangsebene (11) in die Arbeitsebene (46) Fourier-transformiert wird, so dass das Ziel-Strahlprofil (34) des Laserstrahls in der Arbeitsebene (46) als Fourier-Transformierte der Phasen-verschobenen Amplitudenfunktion (24) aus der Eingangsebene (11) erzeugt wird.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, eine halbe Breite ΔS aufweist, wobei ΔS im Intervall von 0,7 bis 1,7 mal des 1/e-Radius (R_e) der Amplitudenfunktion (22) des Eingangsstrahlprofils (32) des Laserstrahls (72) liegt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei mittels des Phasenschiebers (10) der periphere Abschnitts (22b) der Amplitudenfunktion (22) relativ zu dem zentralen Abschnitt (22a) der Amplitudenfunktion zu Werten mit umgekehrtem Vorzeichen hin invertiert wird, oder umgekehrt, so dass durch die Phasenverschiebung zumindest ein Nulldurchgang (26) der Amplitudenfunktion zwischen dem zentralen und peripheren Abschnitt (22a, 22b) der Amplitudenfunktion erzeugt wird und die Phasen-verschobene Amplitudenfunktion (24) in dem zentralen und peripheren Abschnitt (22a, 22b) umgekehrte Vorzeichen aufweist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlprofil des Laserstrahls (72) vor der Phasenverschiebung mittels des Phasenschiebers (10) ein Gauss-Strahlprofil ist und mittels des Phasenschiebers (10) beidseits des Maximums (25) des Gauss-Strahlprofils eine Vorzeichenumkehr der Amplitudenfunktion bewirkt wird, so dass durch die Phasenverschiebung beidseits des Maximums (25) des Gauss-Strahlprofils jeweils ein Nulldurchgang (26) erzeugt wird und die Phasen-verschobene Amplitudenfunktion in dem zentralen Abschnitt (22a) beidseits des Maximums des Gauss-Strahlprofils ein positives Vorzeichen und in dem peripheren Abschnitt (22b) beidseits des zentralen Abschnitts (22a) ein negatives Vorzeichen aufweist oder umgekehrt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Amplitudenfunktion (24) des Strahlprofils unmittelbar nach der Phasenverschiebung im zentralen Abschnitt (22a) um das Maximum (25) und in den beiden benachbarten peripheren Abschnitten (22b) der Amplitudenfunktion (24) an eine Sinus-Cardinalis-Funktion angenähert ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Phasenschieber (10) transversal eindimensional ausgebildet ist, derart, dass der Phasenschieber (10) lediglich in einer Dimension senkrecht zur optischen Achse (A) eine Phasenverschiebung der Amplitudenfunktion bewirkt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Phasenschieber (10) transversal zweidimensional ausgebildet ist, derart, dass der Phasenschieber in beiden Dimensionen senkrecht zur optischen Achse (A) eine Phasenverschiebung der Amplitudenfunktion bewirkt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, rund, insbesondere kreisförmig ausgebildet ist, so dass der Phasenschieber (10) in der Ebene senkrecht zur optischen Achse (A) eine um das Maximum (25) der Amplitudenfunktion runde, insbesondere rotationssymmetrische Phasenverschiebung bewirkt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil des Phasenschiebers (10) bewirkt, polygonförmig, insbesondere rechteckig ausgebildet ist, so dass der Phasenschieber (10) in der Ebene senkrecht zur optischen Achse (A) eine um das Maximum (25) der Amplitudenfunktion polygonförmige, insbesondere rechteckige Phasenverschiebung bewirkt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, einen schrägen Rampenteil (82b) umfasst.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, eine halbe relative Breite Δs aufweist und – entweder einen Plateauteil (82a) mit einer halben relativen Plateaubreite Δp = Δs, – oder einen schrägen Rampenteil (82b) mit einer relativen Rampenbreite Δr = Δs, – oder einen Plateauteil (82a) mit einer halben relativen Plateaubreite Δp, und einen schrägen Rampenteil (82b) mit einer relativen Rampenbreite Δr, wobei Δs = Δp + Δr beträgt, aufweist, wobei die halbe relative Breite Δs des zentralen Teils, die halbe relative Plateaubreite Δp und die relative Rampenbreite Δr jeweils auf die halbe 1/e-Breite R_e der Amplitudenfunktion des Eingangsstrahlprofils des Laserstrahls normiert sind und die halbe relative Breite Δs des zentralen Teils (12) im Intervall Δs ∊ [0,7; 1,7] liegt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 11, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, eine der folgenden Formen aufweist: a) Zylinder mit polygonförmiger Grundfläche, b) Pyramidenstumpf mit polygonförmiger Grundfläche, c) Pyramide mit polygonförmiger Grundfläche, d) Zylinder mit runder Grundfläche, e) Kegelstumpf oder f) Kegel.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, einen Plateauteil (82a) mit einer halben relativen Plateaubreite Δp und/oder einen schrägen Rampenteil (82b) mit einer relativen Rampenbreite Δr aufweist, wobei die halbe relative Breite des zentralen Teils (12) Δs = Δp + Δr beträgt, wobei sich Δr als folgende Polynomfunktion f(Δp) darstellen lässt: Δr = f(Δp) = A + B1·Δp + B2·Δp² + B3·Δp³ + B4·Δp⁴ + B5·Δp⁵ + B6·Δp⁶ + B7·Δp⁷ + B8·Δp⁸ + B9·Δp⁹ und zwar mit folgenden Koeffizienten: A = +1,03979 B1 = +2,29624 B2 = –28,682 B3 = +174,0617 B4 = –605,53235 B5 = +1205,41588 B6 = –1392,66748 B7 = +906,36127 B8 = –298,64468 B9 = +36,41503 wobei die halbe relative Breite Δs des zentralen Teils, die halbe relative Plateaubreite Δp und die relative Rampenbreite Δr jeweils auf die halbe 1/e-Breite R_e der Amplitudenfunktion des Eingangsstrahlprofils des Laserstrahls normiert sind und die halbe relative Breite Δp und die relative Rampenbreite Δr in dem Streifenintervall Δr = f(Δp) = A + B1·Δp + B2·Δp² + B3·Δp³ + B4·Δp⁴ + B5·Δp⁵ + B6·Δp⁶ + B7·Δp⁷ + B8·Δp⁸ + B9·Δp⁹ ± 0,35 liegen.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zentrale Teil (12) des Phasenschiebers (10), welcher die Phasenverschiebung relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) bewirkt, eine zylindrische Form mit runder oder polygonförmiger Grundfläche aufweist und der Phasenschieber (10) somit im Querschnitt beidseits des Maximums (25) der Amplitudenfunktion (22) eine Stufe (16) aufweist, wobei die halbe Breite ΔS des zentralen zylindrischen Teils (12) im Intervall 1,0·R_e bis 1,2·R_e liegt, wobei R_e die halbe 1/e-Breite der Amplitudenfunktion (22) des Eingangsstrahlprofils (32) des Laserstrahls (72) ist und die Stufe (16) eine maximale Breite von 5% von R_e aufweist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Phasenverschiebung des Plateauteils (82a) oder der Spitze der Pyramide oder der Spitze des Kegels relativ zu dem peripheren Teil (14) des Phasenschiebers (10) im Intervall
liegt, wobei n eine ganze Zahl ist.
Lasersystem zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem vordefinierten von einer Gauss-Funktion abweichenden Ziel-Strahlprofil (34) des Laserstrahls in der Arbeitsebene (46), insbesondere zur Materialbearbeitung eines Substrats in der Arbeitsebene (46), umfassend: einen Laser (62) zum Erzeugen eines Laserstrahls (72), eine Aufweitungs-Optik (64) zum Aufweiten des Laserstrahls (72) und eine Vorrichtung zur Strahlformung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Lasersystem zur Erzeugung eines geteilten Laserstrahls, umfassend: einen Laser (62) zum Erzeugen eines Laserstrahls (72), eine Aufweitungs-Optik (64) zum Aufweiten des Laserstrahls (72), eine Vorrichtung zur Strahlformung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Arbeitsebene (46) ein Laserstrahl mit einem Strahlprofil (34') mit zumindest zwei voneinander getrennten Maxima (34a, 34b) erzeugt wird und einen Strahlteiler (52).
Verfahren zur Strahlformung eines Laserstrahls (72), um ein vordefiniertes von einer Gauss-Funktion abweichendes Ziel-Strahlprofil (34) des Laserstrahls, insbesondere ein Zylinder-Strahlprofil in einer Arbeitsebene (46) zu erzeugen, wobei das radiale Strahlprofil des Laserstrahls (72) durch eine komplexe Amplitudenfunktion (22) definiert wird und die komplexe Amplitudenfunktion (22) entlang der Strahlachse aus einer Eingangsebene (11) in die Arbeitsebene (46) Fourier-transformiert wird, was mit einer Veränderung des radialen Strahlprofils entlang der Strahlachse einhergeht und wobei sich das Laser-Strahlprofil radial oder transversal in einen zentralen und einen peripheren Abschnitt (22a, 22b) unterteilen lässt und wobei ein Strahlformer in Form eines Phasenschiebers (10) vorgesehen wird, mittels welchem die Phase (φ) der komplexen Amplitudenfunktion (22) in dem zentralen Abschnitt (22a) des Laserstrahlprofils gegenüber einem peripheren Abschnitt (22b) des Laserstrahlprofils verschoben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei mittels des Phasenschiebers (10) der periphere Abschnitt (22b) der Amplitudenfunktion (22) relativ zu dem zentralen Abschnitt (22a) der Amplitudenfunktion (22) zu Werten mit umgekehrtem Vorzeichen hin invertiert wird, oder umgekehrt, so dass durch die Phasenverschiebung zumindest ein Nulldurchgang (26) der Phasen-verschobenen Amplitudenfunktion (24) zwischen dem zentralen und peripheren Abschnitt (22a, 22b) der Amplitudenfunktion erzeugt wird und die Amplitudenfunktion in dem zentralen und peripheren Abschnitt (22a, 22b) umgekehrte Vorzeichen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Strahlprofil des Laserstrahls (72) vor der Phasenverschiebung mittels des Phasenschiebers (10) ein Gauss-Strahlprofil ist und mittels des Phasenschiebers (10) beidseits des Maximums (25) des Gauss-Strahlprofils eine Vorzeichenumkehr der Amplitudenfunktion (22) bewirkt wird, so dass durch die Phasenverschiebung beidseits des Maximums (25) des Gauss-Strahlprofils jeweils ein Nulldurchgang (26) erzeugt wird und die Amplitudenfunktion in dem zentralen Abschnitt (22a) beidseits des Maximums (25) des Gauss-Strahlprofils ein positives Vorzeichen und in dem peripheren Abschnitt (22b) beidseits des zentralen Abschnitts (22a) ein negatives Vorzeichen aufweist oder umgekehrt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Amplitudenfunktion des Strahlprofils unmittelbar nach der Phasenverschiebung im Bereich des Maximums (25) und der beiden benachbarten peripheren Abschnitte (22b) an eine Sinus-Cardinalis-Funktion angenähert ist.