DE102014005671A1 - Optical arrangement for adjusting beam distribution and / or changing pulse profile - Google Patents
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Abstract
Diese vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Formung der Intensitätsverteilung und/oder zur Modifikation von Pulsprofilen eines Strahlungsfeldes eines kurzen oder ultrakurzen Pulslasers mit einer Pulsdauer τ und einer Kohärenzlänge τc, wobei das Strahlungsfeld mittels optischer Komponenten mindestens in zwei Strahlungsanteile aufgeteilt wird und mindestens eine der optische Komponenten auf einer Translations- oder Rotationsachse montiert wird, sodass die Strahlungsanteile zeitabhängig zueinander relative zeitliche oder/und räumliche Versatze gemäß Vorgaben aufweisen, wobei die Strahlungsanteile zu einem Ausgangsstrahlungsfeld mit einer zeitlich veränderbaren Intensitätsverteilung und/oder mit einem zeitlich veränderbaren Pulsprofil überlagert werden.This present invention relates to an arrangement for shaping the intensity distribution and / or modifying pulse profiles of a radiation field of a short or ultrashort pulse laser with a pulse duration τ and a coherence length τc, wherein the radiation field is split by means of optical components at least into two radiation components and at least one of the optical Components is mounted on a translational or rotational axis, so that the radiation components time-dependent relative temporal and / or spatial offsets according to specifications, wherein the radiation components are superimposed to an output radiation field with a time-variable intensity distribution and / or with a temporally variable pulse profile.
Description
Kurzpulslaser und Ultrakurzpulslaser haben in den vergangenen Jahren verstärkt Anwendung z. B. in der Materialbearbeitung gefunden. Eine schnelle Entwicklung haben in den letzten Jahren insbesondere ultrakurze Pulslaser erfahren. Als typische Anwendungsgebiete sind die Mikro- und Präzisionsmaterialbearbeitung via Ablation zu nennen.Short-pulse laser and ultrashort pulse lasers have been increasingly used in recent years z. B. found in material processing. In recent years, ultrashort pulse lasers have experienced rapid development in particular. Typical applications include micro and precision material processing via ablation.
Es gibt zwei Faktoren, die entscheidende Rollen bei der Bearbeitungsqualität und bei der Produktivität spielen. Zum einen ist da die Intensitätsverteilung und zum anderem ist da das Pulsprofil. Aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften wie Absorption, Schwellintensität, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur und Relaxationszeit hängen die Bearbeitungsqualität und die Prozesseffektivität entscheidend von der Intensitätsverteilung und vom Pulsprofil ab. So kann z. B. beim Abtrag von dünnen Schichten mit einem Laserstrahl, der eine homogene Intensitätsverteilung hat, eine Prozesseffektivität erreicht werden, die um einen Faktor 3 höher als die mit einem Laserstrahl, der eine Gauß'sche Intensitätsverteilung hat. Auf anderer Seite kann mit einem Gauß'schen Strahl eine höhere Auflösung bzw. Präzision erreicht werden.There are two factors that play critical roles in machining quality and productivity. On the one hand there is the intensity distribution and on the other hand there is the pulse profile. Due to different material properties such as absorption, threshold intensity, thermal conductivity, melting temperature and relaxation time, the processing quality and the process efficiency depend crucially on the intensity distribution and the pulse profile. So z. B. in the removal of thin layers with a laser beam having a homogeneous intensity distribution, a process efficiency can be achieved, which is higher by a factor of 3 than that with a laser beam having a Gaussian intensity distribution. On the other hand, with a Gaussian beam, a higher resolution or precision can be achieved.
Des Weiteren sind höhere Qualitäten und Präzision mit kürzerer Pulslänge erreichen. So zum Beispiel sind die Oberflächenrauheit und die thermische Beeinflussung bei Abtrag mit Pikosekunden-Lasern geringer im Vergleich mit Nanosekunden Lasern. Auf der anderen Seite steigert sich z. B. die Bearbeitungsgeschwindigkeit und somit die Produktivität mit der Pulslänge. Es gilt also, die maßgeschneiderte Intensitätsverteilung und das maßgeschneiderte Pulsprofil hinsichtlich der Qualität und der Produktivität für die jeweilige Anwendung zu schaffen.Furthermore, higher quality and precision with shorter pulse length are achieved. For example, the surface roughness and the thermal influence on removal with picosecond lasers are lower in comparison with nanosecond lasers. On the other hand, z. As the processing speed and thus the productivity with the pulse length. It is therefore necessary to create the tailor-made intensity distribution and tailor-made pulse profile in terms of quality and productivity for the respective application.
Da für eine effiziente Nutzung der Pulsenergie in der Abbildungsebene, d. h. beispielsweise auf der Werkstückoberfläche, bestimmte Strahl-Geometrien, Intensitätsverteilungen und Pulsprofile gefordert werden, muss die Strahlung, die von einem Laser abgegeben wird, entsprechend in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit geführt und geformt werden.Because for efficient utilization of the pulse energy in the imaging plane, i. H. For example, on the workpiece surface, certain beam geometries, intensity distributions and pulse profiles are required, the radiation emitted by a laser must be guided and shaped accordingly depending on the irradiation time.
Ausgehend vom vorstehend angeführten Stand der Technik und oder beschriebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde optische Anordnungen anzugeben, mit denen die von Kurzpulslasern oder Ultrakurzpulslasern abgegebene Strahlung zu einem Ausgangsstrahlungsfeld einer zeitlich veränderbaren Intensitätsverteilung und/oder eines zeitlich einstellbaren Pulsprofils transformiert werden kann.Based on the above-mentioned prior art and or described problem, the present invention has the object of specifying optical arrangements, with which the radiation emitted by short-pulse lasers or ultrashort pulse lasers can be transformed to an output radiation field of a time-variable intensity distribution and / or a time-adjustable pulse profile.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einer Anordnung zur Formung und Führung eines Strahlungsfeldes der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass das Strahlungsfeld in mindestens zwei Strahlungsanteile gemäß einer Vorgabe mittels optischen Komponenten gruppiert wird und die Eigenschaften der verwendeten optischen Komponenten wie Brechungsindex, Reflexion, Position und/oder Orientierung zeitlich so angesteuert werden, dass die Strahlungsanteile nach Brechung, Reflexion und/oder Beugung eine relative und zeitabhängigen Verzögerung und/oder Versatz zueinander, aufweisen. Die Strahlungsanteile werden mittels optischen Komponenten in ein Ausgangsstrahlungsfeld, das die gewünschte Intensitätsverteilung und/oder das gewünschte Pulsprofil hat, überlagert.The above object is achieved in an arrangement for shaping and guiding a radiation field of the type described above in that the radiation field is grouped into at least two radiation components according to a specification by means of optical components and the properties of the optical components used such as refractive index, reflection, position and / or orientation are timed so that the radiation components after refraction, reflection and / or diffraction have a relative and time-dependent delay and / or offset from each other. The radiation components are superimposed by means of optical components into an output radiation field having the desired intensity distribution and / or the desired pulse profile.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben.In the following, the present invention will be described in more detail with reference to the preferred embodiments.
Bild 1 zeigt eine erste Ausführung dieser vorliegenden Erfindung, bei der ein teilreflektierendes Element (
Bild 2 zeigt eine Ausführung gemäß dieser vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Eingangspuls linear polarisiert. Ein polarisierendes Element (
Eine Erweiterung der optischen Anordnung zur Modifikation des Pulsprofils zeigt Bild 3. Bei dieser Ausführung werden 4 teilreflektierende Elemente (
Bild 4 zeigt eine Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung für Erzeugung von maßgeschneiderten Intensitätsverteilungen und/oder von maßgeschneiderten Pulsprofilen. Dabei besteht die optische Anordnung aus einem teilreflektierenden Element (
Zur relativen Veränderung der Abstrahlrichtung der Strahlungsanteile wird mindestens ein reflektierendes Element auf einer Rotationsachse montiert. Somit kann die Winkelverteilung des gesamten Ausgangsstrahlungsfeld gemäß Vorgabe verändert werden.For the relative change of the emission direction of the radiation components, at least one reflective element is mounted on a rotation axis. Thus, the angular distribution of the entire output radiation field can be changed as specified.
Bild 5a und Bild 5b zeigt eine optische Anordnung aus zwei reflektierenden Elementen (
Bild 6 zeigt eine Anordnung mit zwei reflektierenden Elementen (
Vorausgesetzt hat das Strahlungsfeld (
Um noch homogenere Intensitätsverteilungen zu erhalten, kann die vordere Fläche (
Als Strahlquelle für die Erzeugung von Laserpulsen kommen z. B. gütegeschaltete Laser, modengekoppelten Laser oder verstärkungsgeschaltete Laser in Frage. Der Laser kann in Form eines Oszillators oder eines Oszillator/Verstärkers realisiert werden.As a beam source for the generation of laser pulses z. B. Q-switched lasers, mode-locked lasers or amplification switched laser in question. The laser can be realized in the form of an oscillator or an oscillator / amplifier.
Zur Steigerung der Pulsenergie bzw. der Leistung können die Ausgangspulse mit einem oder mehreren nachgeschalteten Verstärker verwendet werden.To increase the pulse energy or the power, the output pulses can be used with one or more downstream amplifiers.
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DE102014005671.6A DE102014005671A1 (en) | 2014-04-20 | 2014-04-20 | Optical arrangement for adjusting beam distribution and / or changing pulse profile |
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