DE102016011555B4

DE102016011555B4 - Optische Anordnungen zur Symmetrisierung von Intensitätsverteilungen

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Publication number: DE102016011555B4
Application number: DE102016011555.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-25
Filing date: 2016-09-25
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: DE102016011555A1

Abstract

Optische Anordnung zur Symmetrisierung von Intensitätsverteilungen eines linear polarisierten Strahls (1), wobei eine Lambda/2-Verzögerungsplatte (41) und ein Polarisationsstrahlteiler (42) verwendet werden, durch die der Strahl (1) in zwei linear polarisierte Teilstrahlen (12) und (11) gleicher Stärke aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrahl (11) unter Verwendung von zwei Spiegeln (32) und (35) zu einem Polarisator (47) umgelenkt wird, wobei der s-polarisierte Teilstrahl (11) von dem Polarisator (47) reflektiert wird, wobei der vom Polarisator (47) reflektierte Teilstrahl durch eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) läuft, von einem Spiegel (33) zurückreflektiert wird und zum zweiten Mal durch die Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) läuft, wobei nach dem zweiten Durchgang durch die Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) der Teilstrahl (21) eine P-Polarisation für den Polarisator (47) hat und durch den Polarisator (47) durchgelassen wird, wobei in Bezug auf den Teilstrahl (12) der Teilstrahl (21) nach der optischen Anordnung im Querschnitt um die kurze Kante gespiegelt ist, wobei die Größe des Polarisationsstrahlteilers (47) so gewählt wird, dass der Teilstrahl (12) ungestört vorbei propagiert, so dass die beiden spiegelbildlichen Teilstrahlen (12) und (21) gleicher Polarisation und gleicher Stärke nebeneinander zusammengeführt werden.

Description

Für viele Anwendungen mit optischen Strahlen ist es essentiell, dass das Werkstück oder das zu beleuchtende Objekt homogen mit Licht bestrahlt wird. Im Folgenden werden optische Anordnungen zur Erzeugung von symmetrischen und gleichmäßigen Lichtverteilungen anhand von Laserstrahlung erläutert.
Die Intensitätsverteilung wird im Wesentlichen durch die Resonatorgeometrie, die Verteilung der Verstärkung und der thermischen Linsenwirkung von Lasermedien und durch die durch Aperturen optischer Komponenten verursachte Beugung bestimmt. zeigt den Querschnitt eines Laserstrahls. Er hat einen rechteckigen Querschnitt mit zwei langen Kanten (94) und (96) und zwei kurze Kanten (91) und (93). zeigt einen Schnitt der Intensitätsverteilung entlang der langen Kante. Daraus ist zu erkennen, dass die Intensitätsverteilung in der langen Kante zum einen eine Modulation hat und zum anderen eine tendenzielle Steigung von links nach rechts ausweist. zeigt beispielhaft ein Gauß-ähnliches Intensitätsprofil entlang der kurzen Kante.
Zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung werden u. a. Strahlintegratoren wie MikrolinsenArray, Mikroprismen-Array oder Powell-Linsen verwendet. Allerdings wird die Intensitätsverteilung nach der Integration immer noch eine tendenzielle Steigung aufweisen. Um die tendenzielle Steigung der Intensitätsverteilung zu eliminieren, soll die Intensitätsverteilung vor oder nach der Integration symmetrisiert werden.
Die Druckschrift D1, die US 2016/0252732 A1 , beschreibt optische Anordnung zu Symmetrisierung der Intensitätsverteilung mittels eines teiltransmissiven Spiegels. Bei diesen Anderungen ergebit sich einen großen Verlust bei der Überlagerung.
Die Druckschrift D2, DE103 24 111 B3 , beschreibt beschreibt optische Anordnung zu Symmetrisierung der Intensitätsverteilung mittels teiltransmissiven Spiegeln. Dabei wird der Strahl räumlich aufgeteilt und die Teilstrahlen werden mit teiltransmissiven Spiegeln zugeführt.
Die Druckschrift D3, DE 10 2006 050 155 A1 , beschreibt eine optische Anordnung zu Homogenisierung von einem Gaußschen Strahl. Dabei wird der Strahl mit einer lambda/2-Platte und einem Polarsationsstrahlteiler räumlich in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird.
Die Druckschrift D4, DE10 2014 008 355 A1 , beschreibt eine optische Anordnung zur Homgenisierung der Intensitätsverteilung wobei ein nicht polarisierter Strahl unter Verwendung von einem Polarisationsstrahlteiler in zwei linear polarisierte Teilstrahle aufgeteilt wird. Die beiden Teilstrahlen werden dann nebeneinander angeordnet.
Die Druckschrift D5, DE10 2011079 837 A1 , beschreibt eine optische Anordnung zur Homgenisierung der Intensitätsverteilung wobei ein Strahl unter Verwendung von einem teiltransmissiven Spiegel in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Weiter werden die beiden Teilstrahlen nebeneinander zusammengeführt. Die beiden Teilstrahlen werden dann nebeneinander angeordnet.
zeigt eine optische Anordnung zur Symmetrisierung einer Intensitätsverteilung. Dabei wird der Strahl (1) mittels eines Strahlteilers (3) in zwei Teilstrahlen (12) und (11) mit gleicher Stärke aufgeteilt. Mindestens einer der Teilstrahlen läuft durch eine Optik (6), die diesen Teilstrahl so transformiert, dass dessen Querschnitt um die kurze Kante gespiegelt oder 180° um die Strahlausbereitungsrichtung gedreht wird (vergl. bzw. ). In dem dargestellten Fall handelt es sich um den Teilstrahl (11), der nach der Optik (6) zu Strahl (21) mit einer geänderten Orientierung des Querschnitts wird. Anschließend wird eine Optik (8) verwendet, mit der die beiden Teilstrahlen nebeneinander (vergl. und ) oder übereinander (vergl. ) zusammengeführt oder vorzugsweise koaxial (vergl. überlagert werden.
In ist ein beispielhafter Aufbau eines solchen Strahlteilers (3) dargestellt. Er besteht aus einem Spiegel (31) mit 50% Transmission. Damit wird der Strahl (1) in zwei Teilstrahlen (12) und (11) gleicher Stärke aufgeteilt. Der Spiegel (32) lenkt den Teilstrahl (11) so um, dass er parallel zu dem Teilstrahl (12) verläuft.
Einen weiteren Strahlteiler zeigt . Dabei wird eine polarisationsändernde Komponente (41) und ein polarisationsabhängiger Strahlteiler (42) verwendet. Als polarisationsändernde Komponente (41) kann eine Lambda/2-Verzögerungsplatte oder eine Lambda/4-Verzögerungsplatte verwendet werden. Den polarisationsabhängigen Strahlteiler (42) bildet z. B. einen Polarisator oder einen Beam-Displacer ((47) in ). Auch hier hat der Spiegel (32) die unterstützende Funktion, den Teilstrahl (11) parallel zu dem Teilstrahl (12) auszurichten.
In ist eine beispielhafte Ausführung mit einer polarisationsändernden Komponente (41) und einem doppelbrechenden Prisma (46) dargestellt. Hinter dem doppelbrechenden Prisma teilt sich der Strahl (1) in zwei Teilstrahlen (11) und (12) unterschiedlicher Polarisation und Ausbereitungsrichtung auf.
Ein Beispiel der Optik (6) zeigt . Dabei besteht die Optik aus einem Prisma wie z. B. einem Dover-Prisma (61). Nach Durchgang durch das Prisma wird der Strahlquerschnitt 180° um die Strahlausbereitungsrichtung gedreht. Eine Anordnung aus 3 Spiegel kann auch als Optik (6) verwendet werden, um den Strahlquerschnitt zu drehen.
In ist ein Beispiel der Optik (8) dargestellt. Dabei werden 2 Spiegel (32) und (36) zur Zusammenführung der beiden Teilstrahlen (12 und 21) verwendet. Dabei wird der Spiegel (36) so dimensioniert, dass eine minimale Lücke zwischen den beiden Teilstrahlen entsteht. Nach der Optik verlaufen die beiden Teilstrahlen nebeneinander ( .
und zeigen eine beispielhafte Ausführung, wobei die beiden Teilstrahlen übereinander zusammengeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausführung zeigt . Hierbei haben die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen. Ein Polarisationsstrahlteiler (42) wird verwendet, um die beiden Teilstrahlen (12) und (21) ineinander zusammenzuführen (vgl. .
In ist eine optische Anordnung dargestellt, bei der ein doppelbrechendes Prisma (46) verwendet wird, um zwei Teilstrahlen mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationen und mit unterschiedlichen Ausbereitungsrichtungen, in zwei sich parallel zueinander ausbreitende Strahlen zu transformieren (vgl. .
zeigt ein komplettes Ausführungsbeispiel. Dabei wird ein linear polarisierter Strahl (1) unter Verwendung einer Lambda/2-Verzögerungsplatte (41) und einem Polarisationsstrahlteiler (42) in zwei linear polarisierte Teilstrahlen (12) und (11) aufgeteilt. Ein Spiegel (32) wird verwendet, um den Teilstrahl (11) in eine Richtung parallel zu dem Teilstrahl (12) zu reflektieren. Der Teilstrahl (11) wird von einem Spiegel (35) zu einem Polarisator (47) umgelenkt. Der Teilstrahl (11) hat eine s-Polarisation für den Polarisator (47) und wird von dem Polarisator (47) reflektiert. Der reflektierte Teilstrahl läuft durch eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) und wird von einem Spiegel (33) zurückreflektiert. Nach dem zweiten Durchgang durch die Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) hat der Teilstrahl (21) eine P-Polarisation für den Polarisator (47). Er wird dann durch den Polarisator durchgelassen. In Bezug auf den Teilstrahl (12) ist der Teilstrahl (21) nach der optische Anordnung im Querschnitt um die kurze Kante gespiegelt. Dadurch werden die beiden spiegelbildlichen Teilstrahlen (12) und (21) gleicher Polarisation und gleicher Stärke nebeneinander zusammengeführt (vgl. . Die Intensitätsverteilung der zusammengeführten Strahlen ist spiegelbildlich und somit symmetrisch.
In ist eine weitere beispielhafte komplette Ausführung dargestellt. Sie ist in Bezug auf die Strahlqualität vorteilhaft. Dabei wird ein linear polarisierter Strahl (1) unter Verwendung von einer Lambda/2-Verzögerungsplatte (41) und einem Polarisationsstrahlteiler (42) in zwei linear polarisierte Teilstrahlen (12) und (11) aufgeteilt. Ein Spiegel (32) wird verwendet, um den Teilstrahl (11) in eine Richtung parallel zu dem Teilstrahl (12) zu reflektieren. Der Teilstrahl (11) läuft durch eine Lambda/2-Verzögerungsplatte. Der Teilstrahl (11) hat eine P-Polarisation für den Polarisator (46) und läuft durch den Polarisator durch. Der Teilstrahl (12) wird von einem Spiegel (35) zu einem Polarisator (46) umgelenkt. Der Teilstrahl (12) hat eine P-Polarisation für den Polarisator (46) und läuft zuerst durch den Polarisator (46). Der durchgelassene Teilstrahl läuft durch eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) und wird von einem Spiegel (33) zurückreflektiert. Nach dem zweiten Durchgang durch die Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) hat der Teilstrahl (23) eine S-Polarisation für den Polarisator (46). Er wird dann durch den Polarisator reflektiert. In Bezug auf den Teilstrahl (11) ist der Teilstrahl (23) nach der optische Anordnung im Querschnitt um die kurze Kante gespiegelt. Dadurch werden die beiden spiegelbildlichen Teilstrahlen (11) und (23) mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen und gleicher Stärke ineinander zusammengeführt bzw. koaxial überlagert (vgl. . Die Intensitätsverteilung der zusammengeführten Strahlen ist spiegelbildlich und somit symmetrisch.
Für Anwendungen, bei denen eine gleichmäßige und symmetrische Intensitätsverteilung (vgl. benötigt werden, wird eine Homogenisierungsoptik (91) hinter eine der oben angegebenen optischen Anordnungen nachgeschaltet (vgl. . Ein Beispiel der Homogenisierungsoptik kann durch ein Linsenarray-Paar und eine Transformationsoptik gebildet werden. Daraus entstehen Strahlen mit Top-hat-Strahlprofil ((98) in .
Selbstverständlich ist die Reihenfolge der Homogenisierung und der Symmetrisierung umkehrbar. D. h. die Homogenisierungsoptik kann auch vor der Symmetrisierungsoptik angeordnet werden.
Der symmetrisierte Strahl kann durch Verwendung von nichtlinearen Kristallen in andere Wellenlängen konvertiert werden. Beispiele sind die Erzeugung von z. B. zweiter, dritter, vierter Harmonische. Dadurch können symmetrische Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge (z. B. Lambda/2, Lambda/3, Lambda/4) generiert werden.

Claims

Optische Anordnung zur Symmetrisierung von Intensitätsverteilungen eines linear polarisierten Strahls (1), wobei eine Lambda/2-Verzögerungsplatte (41) und ein Polarisationsstrahlteiler (42) verwendet werden, durch die der Strahl (1) in zwei linear polarisierte Teilstrahlen (12) und (11) gleicher Stärke aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrahl (11) unter Verwendung von zwei Spiegeln (32) und (35) zu einem Polarisator (47) umgelenkt wird, wobei der s-polarisierte Teilstrahl (11) von dem Polarisator (47) reflektiert wird, wobei der vom Polarisator (47) reflektierte Teilstrahl durch eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) läuft, von einem Spiegel (33) zurückreflektiert wird und zum zweiten Mal durch die Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) läuft, wobei nach dem zweiten Durchgang durch die Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) der Teilstrahl (21) eine P-Polarisation für den Polarisator (47) hat und durch den Polarisator (47) durchgelassen wird, wobei in Bezug auf den Teilstrahl (12) der Teilstrahl (21) nach der optischen Anordnung im Querschnitt um die kurze Kante gespiegelt ist, wobei die Größe des Polarisationsstrahlteilers (47) so gewählt wird, dass der Teilstrahl (12) ungestört vorbei propagiert, so dass die beiden spiegelbildlichen Teilstrahlen (12) und (21) gleicher Polarisation und gleicher Stärke nebeneinander zusammengeführt werden.
Optische Anordnung zur Symmetrisierung von Intensitätsverteilungen eines linear polarisierten Strahls (1), wobei der linear polarisierte Strahl (1) unter Verwendung von einer Lambda/2-Verzögerungsplatte (41) und einem Polarisationsstrahlteiler (42) in zwei linear polarisierte Teilstrahlen (12) und (11) gleicher Stärke aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel (32) verwendet wird, um den Teilstrahl (11) in eine Richtung parallel zu dem Teilstrahl (12) zu reflektieren, wobei der Teilstrahl (11) durch eine Lambda/2-Verzögerungsplatte (49) läuft, eine P-Polarisation für einen Polarisator (46) hat und von dem Polarisator (46) durchgelassen wird, wobei der Teilstrahl (12) von einem Spiegel (35) zu dem Polarisator (46) umgelenkt wird, wobei der Teilstrahl (12) eine P-Polarisation für den Polarisator (46) hat und zuerst durch den Polarisator (46) läuft, wobei eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (44) und ein Spiegel (33) verwendet werden, so dass der zurückreflektierte Teilstrahl (23) eine S-Polarisation für den Polarisator (46) hat und von ihm reflektiert wird, wobei im Bezug auf den Teilstrahl (11) der Teilstrahl (23) nach der optischen Anordnung im Querschnitt um die kurze Kante gespiegelt ist, so dass die beiden spiegelbildlichen Teilstrahlen (11) und (23) mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen und gleicher Stärke ineinander zusammengeführt bzw. koaxial überlagert werden.
Optische Anordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des symmetrisierten Strahles unter Verwendung von nichtlinearen Kristallen konvertiert wird.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Homogenisierungsoptik (91) hinter einer der oben angegebenen optischen Anordnungen nachgeschaltet wird, um eine homogene und symmetrische Intensitätsverteilung zu erzeugen.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungsoptik (91) ein Mikrolinsenarray ist.