DE102016015785B4 - Beam adaptation device, frequency conversion unit, optical system and method for frequency conversion - Google Patents
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Abstract
Strahladaptionsvorrichtung (21) zum kontinuierlich variablen Anpassen einer sich entlang einer Strahlachse (25) der Strahladaptionsvorrichtung (21) ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung hinsichtlich Strahlparametern wie lateraler Ausdehnung und Divergenz, insbesondere zur Beeinflussung von Astigmatismus und nicht rotationssymmetrischen Strahlquerschnitten, mit einem optischen Eingangselement (39) miteiner ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27) zur Aufnahme der elektromagnetischen Strahlung, die mindestens eine bezüglich der Strahlachse (25) zur Astigmatismus-Einstellung verkippbare erste Linse (L1) bereitstellt, wobei die erste Linse (L1) in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel verkippbar ausgerichtet werden kann, undeiner Divergenzanpassungslinseneinheit (31) mit einer zweiten Linse (L2) zur Einstellung der Divergenz, wobei der Abstand (d12) zwischen der zweiten Linse (L2) und der ersten Linse (L1) der ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27) entlang der Strahlachse (25) einstellbar ist, undeinem optischen Ausgangselement miteiner zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29) mit mindestens einer bezüglich der Strahlachse (25) zur Astigmatismus-Einstellung verkippbaren dritten Linse (L3), wobei die dritte Linse (L3) in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel verkippbar ausgerichtet werden kann und der Abstand (d23) zwischen der zweiten Linse (L2) der Divergenzanpassungslinseneinheit (31) und der dritten Linse (L3) entlang der Strahlachse (25) einstellbar ist.Beam adaptation device (21) for continuously variable adaptation of an electromagnetic radiation propagating along a beam axis (25) of the beam adaptation device (21) with regard to beam parameters such as lateral expansion and divergence, in particular for influencing astigmatism and non-rotationally symmetrical beam cross-sections, with an optical input element (39) with one First astigmatism lens unit (27) for receiving the electromagnetic radiation, which provides at least one first lens (L1) that can be tilted with respect to the beam axis (25) for astigmatism adjustment, the first lens (L1) being tiltable in any direction by an adjustable angle can be aligned, and a divergence adjustment lens unit (31) with a second lens (L2) for adjusting the divergence, the distance (d12) between the second lens (L2) and the first lens (L1) along the first astigmatism lens unit (27) the jet salmon (25) is adjustable, and an optical output element with a second astigmatism lens unit (29) with at least one with respect to the beam axis (25) for astigmatism adjustment tiltable third lens (L3), wherein the third lens (L3) in any direction an adjustable angle can be aligned tiltably and the distance (d23) between the second lens (L2) of the divergence adjustment lens unit (31) and the third lens (L3) along the beam axis (25) is adjustable.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahladapter, insbesondere zum kontinuierlich variablen Anpassen eines Laserstrahls hinsichtlich Strahlparametern wie lateraler Ausdehnung und Divergenz, speziell zur Beeinflussung von Astigmatismus und nicht rotationssymmetrischen Strahlquerschnitten. Ferner betrifft die Erfindung eine Frequenzkonversionseinheit und ein Verfahren zur Frequenzkonversion.The present invention relates to a beam adapter, in particular for continuously variable adjustment of a laser beam with regard to beam parameters such as lateral expansion and divergence, especially for influencing astigmatism and non-rotationally symmetrical beam cross-sections. The invention also relates to a frequency conversion unit and a method for frequency conversion.
In komplexen optischen Systemen können Laserstrahlen unterschiedliche Eingangsparameter aufweisen, die an enge Ausgangsspezifikationen anzupassen sind. Spezifische Eingangsparameter eines in ein optisches System einzukoppelnden Laserstrahls ergeben sich beispielsweise aus den Charakteristika der individuellen Strahl quellen bzw. der Strahlquellen in Kombination mit Strahlführungen oder weiteren im Strahl platzierten Optiken. Diese unterscheiden sich beispielsweise von Lasertyp zu Lasertyp, von Baureihe zu Baureihe, von Anlage (Installation) zu Anlage. Sie können sich aber, da komplexe optische System (wie Strahlquellen oder Strahlführungen) beispielsweise selten toleranzfrei identisch aufgebaut oder betrieben werden können, auch zwischen einzelnen als gleichartig geplanten Einheiten einer Baureihe, also z.B. aus nicht gänzlich identischen oder nicht perfekten Strahlquellen- bzw. Strahlführungsindividuen ergeben. Spezifische Ausgangsparameter können sich aufgrund spezieller optischer Anforderungen und zu bewirkendem optischen Prozess des den Laserstrahl aufnehmenden optischen Systems ergeben. Analog zu den Eingangsparametern können die erforderlichen Ausgangsparameter unterschiedlich sein und individuell variieren. Allerdings sind diese durch die Anwendung bzw. Folgeoptik häufig sehr eng toleriert, um exakt wiederholbare präzise Laseranwendungen /-prozesse zu ermöglichen.In complex optical systems, laser beams can have different input parameters that have to be adapted to narrow output specifications. Specific input parameters of a laser beam to be coupled into an optical system result, for example, from the characteristics of the individual beam sources or the beam sources in combination with beam guides or other optics placed in the beam. These differ, for example, from laser type to laser type, from series to series, from system (installation) to system. However, since complex optical systems (such as beam sources or beam guides) can seldom be set up or operated identically without tolerances, they can also arise between individual units of a series that are planned as similarly, e.g. from not completely identical or imperfect beam sources or beam guide individuals . Specific output parameters can result from special optical requirements and the optical process to be carried out in the optical system that receives the laser beam. Analogous to the input parameters, the required output parameters can be different and vary individually. However, due to the application or subsequent optics, these are often very tightly tolerated in order to enable precisely repeatable, precise laser applications / processes.
Hierin wird von lateraler Strahlabmessung und Divergenz eines Strahls gesprochen. Es sind dabei im Wesentlichen die 2. Momente der Feld- bzw. Intensitätsverteilungen gemeint, wie sie in den Normen
Häufig sind zwischen Strahlquelle, Strahlführung und Anwendungssystem insbesondere die laterale Ausdehnung eines Laserstrahls und seine Divergenz in mehreren Achsen unterschiedlich anzupassen. Für viele einen derartigen Strahl aufnehmende Systeme wird ein besonders rotationssymmetrischer Strahl benötigt, den die Strahlquellen oder die dem aufnehmenden System vorangehenden optischen Systeme mit der benötigten Genauigkeit nicht bereitstellen können. In einigen aufnehmenden Systemen ist jedoch auch eine genau definierte nicht rotationssymmetrische, z.B. elliptische und/oder astigmatische, Form des Laserstrahls Ziel der Anpassung. Allgemein zeigt
Bei der Erzeugung von z.B. ultravioletter (UV) Laserstrahlung durch nichtlineare Frequenzkonversion kann es in einer Frequenzkonversionseinheit zu unerwünschten Aberrationen in der Amplitude und Phase der UV-Laserstrahlung kommen. Derartige Aberrationen werden z.B. durch nachgeschaltete und zur Korrektur ausgelegte optische Systeme kompensiert, siehe z.B.
Ferner offenbart
Ferner offenbaren
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variablen astigmatischen Strahladapter bereitzustellen. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ausgangsstrahl einer Frequenzkonversionseinheit, insbesondere eines UV-Ausgangsstrahls, mit einer rotationssymmetrischen Ausdehnung und/oder Divergenz bereitzustellen.It is an object of one aspect of this disclosure to provide a variable astigmatic beam adapter. Another aspect of this disclosure is based on the object of providing the output beam of a frequency conversion unit, in particular a UV output beam, with a rotationally symmetrical expansion and / or divergence.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Strahladaptionsvorrichtung nach Anspruch 1, einer Frequenzkonversionseinheit nach Anspruch 10, ein optisches System nach Anspruch 13 und durch ein Verfahren zur Frequenzkonversion nach Anspruch 15. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a beam adaptation device according to
In einem Aspekt umfasst eine Strahladaptionsvorrichtung zur variablen Astigmatismus-Einstellung und/oder Einstellung der lateralen Ausdehnung einer sich entlang einer Strahlachse der Strahladaptionsvorrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung eine erste Astigmatismus-Linseneinheit zur Aufnahme der elektromagnetischen Strahlung, die mindestens eine bezüglich der Strahlachse zur Astigmatismus-Einstellung verkippbare erste Linse bereitstellt, eine Divergenzanpassungslinseneinheit mit einer zweiten Linse zur Einstellung der Divergenz, wobei der Abstand zwischen der zweiten Linse und der ersten Linse der ersten Astigmatismus-Linseneinheit entlang der Strahlachse einstellbar ist, und eine zweite Astigmatismus-Linseneinheit mit mindestens einer bezüglich der Strahlachse zur Astigmatismus-Einstellung verkippbaren dritten Linse. Dabei ist, insbesondere zur Einstellung der Größe der elektromagnetischen Strahlung auf der dritten Linse, der Abstand zwischen der zweiten Linse und der dritten Linse der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit entlang der Strahlachse einstellbar.In one aspect, a beam adaptation device for variable astigmatism setting and / or setting the lateral extent of an electromagnetic radiation propagating along a beam axis of the beam adaptation device comprises a first astigmatism lens unit for receiving the electromagnetic radiation, which has at least one tiltable with respect to the beam axis for astigmatism setting provides a first lens, a divergence adjustment lens unit with a second lens for adjusting the divergence, wherein the distance between the second lens and the first lens of the first astigmatism lens unit is adjustable along the beam axis, and a second astigmatism lens unit with at least one with respect to the beam axis for Astigmatism adjustment tiltable third lens. In this case, in particular for setting the size of the electromagnetic radiation on the third lens, the distance between the second lens and the third lens of the second astigmatism lens unit can be adjusted along the beam axis.
In einem weiteren Aspekt weist eine Frequenzkonversionseinheit eine Strahlvorkompensationsvorrichtung mit einer wie zuvor beschriebenen Strahladaptionsvorrichtung zum Formen der von einer Strahlquelle bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung in einen Ausgangsstrahl mit vorbestimmten Strahlparametern und eine Einrichtung zur Frequenzkonversion mit einem Frequenzkonversionskristall zur Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahls mit dem Ausgangsstrahl auf. Die Einrichtung zur Frequenzkonversion ist dazu ausgebildet, den frequenzkonvertierten Strahl mit einer bezüglich des Ausgangsstrahls asymmetrischen Strahlverformung hinsichtlich Strahlform und/oder Divergenz zu erzeugen.In a further aspect, a frequency conversion unit has a beam precompensation device with a beam adaptation device as described above for shaping the electromagnetic radiation provided by a beam source into an output beam with predetermined beam parameters and a device for frequency conversion with a frequency conversion crystal for generating a frequency-converted beam with the output beam. The device for frequency conversion is designed to generate the frequency-converted beam with a beam deformation that is asymmetrical with respect to the output beam in terms of beam shape and / or divergence.
In einem weiteren Aspekt weist ein optisches System eine Mehrzahl von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System beeinflussenden optischen Komponenten und eine wie zuvor beschriebene Strahladaptionsvorrichtung zur Kompensation von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System auf. Dabei wird die Kompensation insbesondere nach einem Einstellen und/oder Austauschen einer der optischen Komponenten und/oder zur Einstellung von bestimmten Parametern eines mit dem optischen System erzeugten Strahls vorgenommen.In a further aspect, an optical system has a plurality of optical components influencing beam shape and / or divergence in the optical system and a beam adaptation device as described above for compensating for beam shape and / or divergence in the optical system. In this case, the compensation is carried out in particular after setting and / or replacing one of the optical components and / or for setting certain parameters of a beam generated with the optical system.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Frequenzkonversion die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer sich entlang einer Propagationsrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung, Anpassen der elektromagnetischen Strahlung mit einer wie zuvor beschriebenen Strahladaptionsvorrichtung hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz zur Formung eines Ausgangsstrahls für eine Frequenzkonversion in einem Frequenzkonversionskristall und Erzeugen eines frequenzkonvertierten Strahls im Frequenzkonversionskristall. Die Anpassung hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz des Ausgangsstrahls erfolgt derart, dass gewünschte Strahlparameter des frequenzkonvertierten Strahls vorliegen.In a further aspect, a method for frequency conversion has the following steps: providing electromagnetic radiation propagating along a direction of propagation, adapting the electromagnetic radiation with a beam adaptation device as described above with regard to beam size and divergence for forming an output beam for frequency conversion in a frequency conversion crystal and generating of a frequency converted beam in the frequency conversion crystal. The adjustment in terms of beam size and divergence of the output beam takes place in such a way that the desired beam parameters of the frequency-converted beam are present.
In einigen Ausführungsformen sind die erste Astigmatismus-Linseneinheit, die Divergenzanpassungslinseneinheit und/oder die zweite Astigmatismus-Linseneinheit derart ausgebildet, dass sich durch die Verkippbarkeit der ersten Linse und/oder der dritten Linse und die Verschiebbarkeit der Divergenzanpassungslinseneinheit durch Verkippen und Verschieben der entsprechenden Linsen die Größe der elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit und die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung in jeweils zwei unabhängigen Richtungen strahlabwärts der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit einstellen lassen. Z.B. lassen sich die Richtungen (Hauptachsen) der Strahlausdehnung (an einer Referenzebene) unabhängig von den Richtungen (Hauptachsen) der Divergenz einstellen. Allgemein stehen die beiden Hauptachsen der Strahlausdehnung immer senkrecht aufeinander, genauso wie die beiden Hauptachsen der Divergenz.In some embodiments, the first astigmatism lens unit, the divergence adjustment lens unit and / or the second astigmatism lens unit are designed such that the tiltability of the first lens and / or the third lens and the displaceability of the divergence adjustment lens unit by tilting and moving the corresponding lenses Adjust the size of the electromagnetic radiation at the second astigmatism lens unit and the divergence of the electromagnetic radiation in two independent directions down the beam of the second astigmatism lens unit. For example, the directions (main axes) of the beam expansion (on a reference plane) can be set independently of the directions (main axes) of the divergence. In general, the two main axes of beam expansion are always perpendicular to one another, just like the two main axes of divergence.
In einigen Ausführungsformen sind die erste Astigmatismus-Linseneinheit, die Divergenzanpassungslinseneinheit und/oder die zweite Astigmatismus-Linseneinheit derart ausgebildet, dass die Verkipp- und Verschiebbarkeit der ersten Linse und/oder der dritten Linse und die Verschiebbarkeit der Divergenzanpassungslinseneinheit es ermöglichen, die Größe und die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung strahlabwärts des Strahladapters in voneinander unabhängigen Richtungen nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse frei einzustellen, d.h. die Hauptachsen der Strahlausdehnung (an einer Referenzebene) und die Hauptachsen der Divergenz können in ihrer Ausrichtung und Größe voneinander unabhängig gewählt werden.In some embodiments, the first astigmatism lens unit, the divergence adjustment lens unit and / or the second astigmatism lens unit are designed such that the tiltability and displaceability of the first lens and / or the third lens and the displaceability of the divergence adjustment lens unit allow the size and the Divergence of the electromagnetic radiation downstream of the beam adapter in independent directions not rotationally symmetrical to the optical axis, ie the main axes of the beam expansion (at a reference plane) and the main axes of the divergence can be selected independently of each other in their orientation and size.
In einigen Ausführungsformen weist die Strahladaptionsvorrichtung ferner eine entlang der Strahlachse ausgebildete Justageschiene zur Positionierung der ersten Astigmatismus-Linseneinheit, der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit und/oder der Divergenzanpassungslinseneinheit entlang der Strahlachse auf. Zusätzlich oder alternativ kann die Strahladaptionsvorrichtung ferner mindestens eine Drehhalterung zum Halten der ersten Linse oder der dritten Linse aufweisen, wobei die mindestens eine Drehhalterung mindestens eine Einstellvorrichtung zur Einstellung mindestens eines Kippwinkels der entsprechenden Linse um mindestens eine Kippachse aufweist. Insbesondere kann eine Kippachse orthogonal zur Strahlachse verlaufen.In some embodiments, the beam adaptation device furthermore has an adjustment rail formed along the beam axis for positioning the first astigmatism lens unit, the second astigmatism lens unit and / or the divergence adjustment lens unit along the beam axis. Additionally or alternatively, the beam adaptation device can furthermore have at least one rotary holder for holding the first lens or the third lens, wherein the at least one rotary holder has at least one setting device for setting at least one tilt angle of the corresponding lens by at least one Has tilt axis. In particular, a tilt axis can run orthogonally to the beam axis.
In einigen Ausführungsformen weist die Strahladaptionsvorrichtung ferner eine Strahlanalyseeinheit auf, die eine erste Detektionseinheit zur Aufnahme eines Strahlprofils der elektromagnetischen Strahlung in einer Bildebene, und eine Analyselinse, die das Strahlprofil im Bereich der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit, insbesondere der dritten Linse als Objektebene, auf die Bildebene abbildet. Ferner kann die Strahlanalyseeinheit mindestens eine Fernfelddetektionseinheit zur Aufnahme eines Strahlprofils der elektromagnetischen Strahlung in einer Fernfeldebene nach der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit aufweisen. Die Strahlanalyseeinheit ist insbesondere zur Analyse eines Analyseanteils der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet.In some embodiments, the beam adaptation device furthermore has a beam analysis unit which has a first detection unit for recording a beam profile of the electromagnetic radiation in an image plane, and an analysis lens which the beam profile in the area of the second astigmatism lens unit, in particular the third lens as the object plane, onto the Depicts image plane. Furthermore, the beam analysis unit can have at least one far-field detection unit for recording a beam profile of the electromagnetic radiation in a far-field plane after the second astigmatism lens unit. The beam analysis unit is designed in particular to analyze an analysis portion of the electromagnetic radiation.
In einigen Ausführungsformen weist die Strahladaptionsvorrichtung ferner eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Verkippung der ersten Linse und/oder der dritten Linse und/oder zur Ansteuerung mindestens eines der Abstände zwischen der Divergenzanpassungslinseneinheit und den Astigmatismus-Linseneinheiten auf. Die Ansteuerung kann insbesondere jeweils in Abhängigkeit von den mit der Strahlanalyseeinheit detektierten Strahlprofilen und insbesondere vorgegebenen Zielstrahlprofilen und/oder auf den Strahl zurückgehenden Messparametern erfolgen.In some embodiments, the beam adaptation device furthermore has a control unit for controlling the tilting of the first lens and / or the third lens and / or for controlling at least one of the distances between the divergence adjustment lens unit and the astigmatism lens units. The control can in particular take place as a function of the beam profiles detected with the beam analysis unit and, in particular, predetermined target beam profiles and / or measurement parameters relating to the beam.
Ein Vorteil der hierein beschriebenen Konzepte ist die Einfachheit des optischen Aufbaus, mit dem die Aufgabenstellung einer Strahlparametereinstellung gelöst werden kann. So kann die Strahladaptionsvorrichtung vorteilhafterweise mit wenigen einfach herzustellenden sphärischen Linsen aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der vergleichsweise großen Toleranz der Strahladaptionsvorrichtung gegen Dejustage und in der sehr flexiblen Einsetzbarkeit der Strahladaptionsvorrichtung. Da der Astigmatismus der gekippten Linsen langsam und kontinuierlich mit dem Kippwinkel zunimmt, kann ferner eine hohe Toleranz in den einzustellenden Winkeln vorliegen.One advantage of the concepts described here is the simplicity of the optical structure with which the task of setting the beam parameters can be achieved. Thus, the beam adaptation device can advantageously be constructed with a few spherical lenses that are easy to manufacture. Another advantage lies in the comparatively large tolerance of the beam adaptation device against misalignment and in the very flexible use of the beam adaptation device. Since the astigmatism of the tilted lenses increases slowly and continuously with the tilt angle, there can also be a high tolerance in the angles to be set.
Die hierein beschriebenen Konzepte können somit einen wichtigen Beitrag dazu liefern, um die Divergenz und den Strahldurchmesser speziell bei freistrahlgeführten Ultrakurzpuls (UKP)-Lasern enger spezifizieren zu können. Die relative Unempfindlichkeit bei der Verwendung von sphärischen Linsen gegenüber Dejustage im Vergleich zur Verwendung von Zylinderlinsen kann ferner insbesondere die Inbetriebnahme der Strahladaptionsvorrichtung durch den Benutzer z.B. auch nach einem längeren Transport vereinfachen.The concepts described here can thus make an important contribution to being able to specify the divergence and the beam diameter more precisely, especially for free-beam guided ultrashort pulse (USP) lasers. The relative insensitivity when using spherical lenses to misalignment compared to using cylindrical lenses can also simplify the start-up of the beam adaptation device by the user, e.g. even after a long transport.
Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere die Strahlformung von Pump- und/oder Seed-Laserstrahlung für die Frequenzkonversion, insbesondere für die UV-Strahlungserzeugung, sowie allgemein die flexible Einstellung von Strahlparametern.The concepts described here relate in particular to the beam shaping of pump and / or seed laser radiation for frequency conversion, in particular for UV radiation generation, and generally the flexible setting of beam parameters.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
-
1A bis1C eine beispielhafte schematische Darstellung eines variablen Strahlaufweiters zur Divergenzeinstellung, -
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Strahldurchtritts durch eine verkippte rotationssymmetrische Linse, -
3 eine beispielhafte Ausführungsform einer variablen astigmatischen Strahladaptionsvorrichtung, -
4 eine beispielhafte Ausführungsform einer Strahlanalyseeinheit zur Analyse eines Ausgangsstrahls einer variablen astigmatischen Strahladaptionsvorrichtung, -
5 eine Skizze zur Verdeutlichung nicht-vorkompensierter Frequenzkonversionseffekte, -
6 eine beispielhafte Ausführungsform einer Frequenzkonversionseinheit mit einer variablen astigmatischen Strahladaptionsvorrichtung zur Vorkompensation der Strahlform, -
7 schematische beispielhafte horizontale und vertikale Schnittansichten einer Frequenzkonversionseinheit zur Verdeutlichung der Vorkompensation und -
8 eine beispielhafte Skizze eines optischen Systems mit einer Strahladaptionsvorrichtung.
-
1A to1C an exemplary schematic representation of a variable beam expander for divergence adjustment, -
2 a schematic perspective view of a beam passage through a tilted rotationally symmetrical lens, -
3 an exemplary embodiment of a variable astigmatic beam adaptation device, -
4th an exemplary embodiment of a beam analysis unit for analyzing an output beam of a variable astigmatic beam adaptation device, -
5 a sketch to illustrate non-precompensated frequency conversion effects, -
6th an exemplary embodiment of a frequency conversion unit with a variable astigmatic beam adaptation device for precompensation of the beam shape, -
7th schematic exemplary horizontal and vertical sectional views of a frequency conversion unit to illustrate the precompensation and -
8th an exemplary sketch of an optical system with a beam adaptation device.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein System für eine variable Strahlaufweitung und Strahlparameteranpassung aus mehreren entlang der Strahlachse bewegbaren Linsen (z.B. Sammellinse, Streulinse, Sammellinse) um Kippfreiheitsgrade und evtl. transversale Translationsfreiheitsgrade hinsichtlich einer oder mehrerer Linsen ergänzt werden kann. Dadurch können sowohl Größe als auch Divergenz des Strahls am Ausgang des Systems in unterschiedlichen (transversal zur Propagationsrichtung verlaufenden) Achsen frei beeinflusst werden.Aspects described here are based in part on the knowledge that a system for variable beam expansion and beam parameter adjustment made up of several lenses that can be moved along the beam axis (e.g. converging lens, diverging lens, converging lens) can be supplemented by degrees of freedom of tilt and possibly transversal degrees of translational freedom with regard to one or more lenses. As a result, both the size and the divergence of the beam at the exit of the system in different axes (running transversely to the direction of propagation) can be freely influenced.
Wie eingangs erwähnt benötigen verschiedene Anwendungen von Lasersystemen beispielsweise in der Materialbearbeitung spezielle und teilweise eng tolerierte Strahlparameter. Diese können z.B. an einem speziellen optischen Element oder an einem zu bearbeitenden Werkstück bereitgestellt werden. Die Strahlparameter umfassen z.B. einen Fokusdurchmesser, eine Rundheit bzw. Elliptizität des Strahls im Fokus bzw. in der Nähe des Fokus sowie die axiale Lage des Fokus (in Propagationsrichtung der Laserstrahlung). Optische Elemente, die für spezielle Anwendungen entsprechende Strahlparameter erfordern können, umfassen z.B. DOEs und Frequenzkonversionskristalle. Auch der Transport des Laserlichtes zur Anwendung kann besondere Anforderungen an benötigte Eingangsstrahlparameter stellen (z.B. für Transportfasern oder Schneidoptiken von laserbasierten Werkzeugmaschinen).As mentioned at the beginning, different applications of laser systems, for example in material processing, require special and sometimes tightly tolerated beam parameters. These can, for example on a special optical element or on a workpiece to be machined. The beam parameters include, for example, a focus diameter, a roundness or ellipticity of the beam in the focus or in the vicinity of the focus and the axial position of the focus (in the direction of propagation of the laser radiation). Optical elements that may require appropriate beam parameters for special applications include, for example, DOEs and frequency conversion crystals. The transport of the laser light to the application can also place special demands on the required input beam parameters (e.g. for transport fibers or cutting optics of laser-based machine tools).
Jedoch entspricht eine Laserstahlquelle bzw. eine propagierte Laserstrahlung selten direkt genau den benötigten Anforderungen. Darüber hinaus haben Strahlquellen, auch wenn sie von gleicher Bauart sind, häufig etwas voneinander abweichende Strahlparameter. Z.B. können verwendete optische Elemente vom Ideal abweichen oder thermische oder andere physikalische Effekte den Strahl unterschiedlich deformieren. Entsprechend kann eine Nachjustage in Abhängigkeit von der eingesetzten Strahlquelle beispielsweise beim Austausch einer Strahlquelle notwendig werden. Die Diskrepanzen zwischen von der Strahlquelle bereitgestellter elektromagnetischer Strahlung und der für die Anwendung benötigten Parameter bestehen z.B. in einer Abweichung des Strahldurchmessers (an einer Referenzstelle) und der Strahldivergenz. Diese Abweichungen können rotationssymmetrisch sein. Es können aber auch in verschiedenen Achsen verschiedene Größen benötigt oder angepasst werden, d.h. es kann ein spezieller unrunder oder allgemein astigmatischer Strahl vorliegen oder benötigt werden.However, a laser beam source or a propagated laser radiation seldom corresponds exactly to the required requirements. In addition, beam sources, even if they are of the same design, often have slightly different beam parameters. For example, the optical elements used may deviate from the ideal or thermal or other physical effects may deform the beam differently. Correspondingly, a readjustment may be necessary depending on the beam source used, for example when a beam source is replaced. The discrepancies between the electromagnetic radiation provided by the beam source and the parameters required for the application consist, for example, in a deviation in the beam diameter (at a reference point) and the beam divergence. These deviations can be rotationally symmetrical. However, different sizes can also be required or adapted in different axes, i.e. a special non-circular or generally astigmatic beam can be present or required.
Es wird angemerkt, dass Anforderungen von Prozessen zur Laserbearbeitung an den Laserstrahl hinsichtlich der Strahlparameter häufig so eng sind, dass an die Komponenten des Lasersystems oder der Strahlführung extreme Anforderungen gestellt werden. Beispielsweise wird Astigmatismus leicht und häufig durch Planumlenker verursacht, die herstellungs- oder halterungsbedingt doch eine kleine (aber nicht immer identische) Krümmung aufweisen. Für eine präzise Lasermaterialbearbeitung ist ein astigmatischer Strahl meist nicht tolerierbar.It is noted that the requirements of processes for laser processing on the laser beam with regard to the beam parameters are often so tight that extreme requirements are placed on the components of the laser system or the beam guidance. For example, astigmatism is easily and frequently caused by plan deflectors which, due to their manufacture or mounting, have a small (but not always identical) curvature. For precise laser material processing, an astigmatic beam is usually not tolerable.
Die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung erlaubt es, den Strahl einer Strahlquelle an die Anforderung der Anwendung oder des Transports zur Anwendung anzupassen. Dabei können Streuungen der Strahlparameter ausgeglichen werden, indem Größe und Divergenz des einfallenden Strahls in verschiedenen Achsen unterschiedlich verändert werden. Mit der hierin offenbarten Strahladaptionsvorrichtung ist die Veränderung in allen Freiheitsgraden kontinuierlich variabel möglich und auch kleine Abweichungen können stufenlos angepasst werden.The beam adaptation device disclosed herein allows the beam of a beam source to be adapted to the requirements of the application or the transport to the application. Scattering of the beam parameters can be compensated for by changing the size and divergence of the incident beam differently in different axes. With the beam adaptation device disclosed herein, the change in all degrees of freedom is continuously variable and even small deviations can be adjusted continuously.
Erweitert um eine Strahlanalyseeinheit kann die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung ferner eine Charakterisierung des Ausgangsstrahls bzw. eine gezielte Anpassung des Ausgangsstrahls an erforderliche Strahlparameter ermöglichen.Expanded by a beam analysis unit, the beam adaptation device disclosed herein can also enable characterization of the output beam or targeted adaptation of the output beam to required beam parameters.
Allgemein kombiniert die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung das Prinzip eines variablen Strahlaufweiters (Teleskops) aus mehreren Linsen mit dem der verkippten Linse. Durch Wahl der Linsen und deren Abstände kann die allgemeine (rotationssymmetrische) Beeinflussung der Strahlgröße und Divergenz gewählt werden. Durch Verkippung einzelner oder mehrerer Elemente um mehrere Achsen oder eine frei gewählte Achse kann ferner die Symmetrie gezielt gebrochen und die Größe des Strahls in einer Referenzebene und die Divergenz in frei wählbaren Achsen unterschiedlich beeinflusst werden. Ein allgemein einstellbarer Astigmatismus kann somit erzeugt oder ein vorliegender Astigmatismus kann entsprechend kompensiert werden.In general, the beam adaptation device disclosed herein combines the principle of a variable beam expander (telescope) made up of several lenses with that of the tilted lens. The general (rotationally symmetrical) influencing of the beam size and divergence can be selected by choosing the lenses and their spacing. By tilting individual or several elements around several axes or a freely selected axis, the symmetry can also be broken in a targeted manner and the size of the beam in a reference plane and the divergence in freely selectable axes can be influenced differently. A generally adjustable astigmatism can thus be generated or an existing astigmatism can be compensated accordingly.
Nachfolgend werden die für die Strahladaptionsvorrichtung grundlegenden Effekte der Divergenzanpassung (in Verbindung mit den Figuren lA bis 1C) und der Astigmatismuserzeugung durch Verkippung von Linsen (in Verbindung mit
Die
Man erkennt, dass eine gewünschte (Soll-) Strahlgröße an der zweiten Sammellinse
Die zweite Sammellinse
Da, wie oben ausgeführt, die (Soll-) Strahlgröße bei verschieden Divergenzen erreicht werden kann, ist es bei sinnvoller Wahl der Brennweite f3 möglich, den Strahl genau derart divergent auf die zweite Sammellinse
Verwendet man im Strahlaufweiter
Die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung zur variablen Astigmatismus-Einstellung einer sich entlang einer Propagationsrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung basiert auf einer Kombination eines derartigen Strahlaufweiters mit dem Aspekt der Astigmatismus-Erzeugung beim Strahldurchgang durch eine verkippte Linse. Es ergibt sich ein variabler Strahlaufweiter, der die Größe des Strahls und die Divergenz in unterschiedlichen transversalen Richtungen unabhängig voneinander ändern kann. Dabei müssen die Richtungen der Größenänderung und die der Divergenzänderung nicht miteinander übereinstimmen, d.h. es kann ein allgemeiner Astigmatismus erzeugt, kompensiert oder beliebig beeinflusst werden.The beam adaptation device disclosed herein for variable astigmatism adjustment of electromagnetic radiation propagating along a direction of propagation is based on a combination of such a beam expander with the aspect of generating astigmatism when the beam passes through a tilted lens. The result is a variable beam expander which can change the size of the beam and the divergence in different transverse directions independently of one another. The directions of the change in size and those of the change in divergence do not have to coincide with one another, i.e. a general astigmatism can be generated, compensated or influenced as desired.
Für einen einfallenden Strahl
Im Unterschied zu (gerade im Strahl feststehenden) Zylinderoptiken oder anderen nicht rotationssymmetrischen, feststehenden Optiken kann die astigmatische Wirkung verkippbarer rotationssymmetrischer Optiken kontinuierlich eingestellt werden, beispielsweise ausgehend von einem Nullpunkt (keine Verkippung, identische Brennweiten in allen die Strahlachse
Mit zunehmendem Kippwinkel kann es neben dem Astigmatismus noch zu weiteren Abbildungsfehlern höherer Ordnung, wie Koma, kommen, jedoch können diese Effekte (insbesondere bei Optiken mit kleinen numerischen Aperturen) zumindest teilweise vernachlässigt werden.As the tilt angle increases, further higher-order imaging errors, such as coma, can occur in addition to astigmatism, but these effects (especially in the case of optics with small numerical apertures) can be at least partially neglected.
Die erste Sammellinseneinheit
Ferner erkennt man eine an der ersten Drehhalterung
Überdies kann die erste Sammellinseneinheit
Im Ergebnis erlauben es die erste Drehhalterung
Am anderen Ende der Justageschiene
Die Streulinseneinheit
Die Sammellinse
Auch wenn die vorausgehend beschriebene Ausführungsform hinsichtlich einer Aufweitung des Strahls ausgelegt ist, erkennt der Fachmann, dass Ausführungsformen der hierin offenbarten Konzepte auch eine Reduktion einer Strahlabmessung oder einer Divergenz bewirken können sowie auch optische Systeme umfassen können, die eine oder mehrere Charakteristika des Strahls unverändert lassen.Even if the embodiment described above is designed with regard to widening the beam, those skilled in the art will recognize that embodiments of the concepts disclosed herein can also bring about a reduction in a beam dimension or a divergence, and can also include optical systems that leave one or more characteristics of the beam unchanged .
Der Fachmann wird erkennen, dass auch andere Ausführungen von variablen Strahlaufweitern mit mehr als drei Linsen eine benötigte Strahlanpassung bereitstellen können. Dabei können alle Linsen oder ein Teil der Linsen (beispielsweise, wenn nicht die volle Justagefreiheit benötigt wird, nur eine einzige Linse) verkippbar gehalten werden.The person skilled in the art will recognize that other designs of variable beam expanders with more than three lenses can also provide a required beam adaptation. All lenses or some of the lenses (for example, if full freedom of adjustment is not required, only a single lens) can be kept tiltable.
Im Unterschied zu einem System zur festen Aufweitung basierend z.B. auf zwei Linsen kann ferner ein System mit drei oder mehr Linsen in der hierin offenbarten (oder in einer ähnlichen) Konfiguration einen bezüglich der Ausgangsstrahleigenschaften benötigten Toleranzbereich bereitstellen, um eine Bandbreite an aufzunehmenden Eingangsstrahleigenschaften abzudecken und die volle Freiheit bei der kontinuierlich variablen Anpassung bereitzustellen.In contrast to a system for fixed expansion based, for example, on two lenses, a system with three or more lenses in the configuration disclosed herein (or in a similar configuration) can also provide a tolerance range required with regard to the output beam properties in order to cover a range of input beam properties to be recorded provide full freedom in continuously variable adjustment.
Nachfolgend wird die Wirkung der Strahladaptionsvorrichtung
Die Form von in der Strahladaptionsvorrichtung
Bei einer vorliegenden Verkippung der Sammellinse
Zusammenfassend weitet sich bei einer vorliegenden Verkippung der Strahl nach der Linsenkombination
Die Sammellinse
Beispielsweise kann die Sammellinse
Da eine reale (dicke) Linse durch eine Verkippung immer auch einen Strahlversatz verursacht, kann, wie zuvor angesprochen, die Verkippbarkeit einer Linse durch eine Verschiebbarkeit der Linse senkrecht zur Strahlachse
Selbstverständlich kann auf die Nutzung von Freiheitsgraden im System verzichtet werden, wenn nur eine teilweise Beeinflussung des Strahls angestrebt wird. Insbesondere ist die Kippung nur einer Linse deutlich einfacher zu justieren als die mehrerer Linsen.It goes without saying that the use of degrees of freedom in the system can be dispensed with if the aim is only to partially influence the beam. In particular, the tilting of only one lens is significantly easier to adjust than that of several lenses.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die erste Sammellinse
Neben der explizit erläuterten Ausführungsform mit je einer Sammellinse am Eingang und am Ausgang und einer dazwischen angeordneten Streulinse können die beiden ersten Linsen Streulinsen sein und nur die letzte Linse als Sammellinse ausgebildet werden. Ferner können je eine Streulinse am Eingang und am Ausgang und eine dazwischen angeordnete Sammellinse in der Strahladaptionsvorrichtung verwendet werden. Ferner können je eine Sammellinse am Eingang und am Ausgang und eine dazwischen angeordnete Streulinse in der Strahladaptionsvorrichtung verwendet werden.In addition to the explicitly explained embodiment with a converging lens each at the entrance and at the exit and a diffusing lens arranged in between, the first two lenses can be diffusing lenses and only the last lens can be designed as a converging lens. Furthermore, one diffusing lens each at the entrance and one at the exit and a converging lens arranged in between can be used in the beam adaptation device. Furthermore, one converging lens each at the entrance and one at the exit and a diverging lens arranged in between can be used in the beam adaptation device.
Die Freiheitsgrade können sich allgemein bei Bedarf beispielsweise über Zahnstangen und Zahnradschlüssel, über Gewinde oder über Hebelwerkzeuge fein justieren lassen. Ferner können Freiheitsgrade nach der Justage in ihrer Lage individuell mit z.B. Fixierschrauben fixiert werden. Über Feingewindestifte einzustellende x-y-Translationen können z.B. alternativ über Gegenfedern präzise in Position gehalten werden.The degrees of freedom can generally, if necessary, for example via racks and gear wrenches, via threads or via Have lever tools fine-tuned. Furthermore, after the adjustment, degrees of freedom can be individually fixed in their position with, for example, fixing screws. Xy translations to be set using fine-thread pins can, for example, alternatively be held precisely in position using counter springs.
In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine Kippachse pro (Sammel-)Linse vorgesehen werden, wobei die Ausrichtung der Kippachse um die Strahlachse
Da jede weitere Optik in einem nachfolgenden optischen System sowohl die Größe als auch die Divergenz des Strahls beeinflussen kann, ist eine intuitive und einfache Justage des Systems in wenigen Schritten nicht immer möglich.Since any additional optics in a subsequent optical system can influence both the size and the divergence of the beam, an intuitive and simple adjustment of the system in a few steps is not always possible.
Die Strahlanalyse kann sich jedoch vereinfachend auf den Justageprozess auswirken, wenn sich die Bezugsebene der Analyse direkt auf der letzten Linse befindet. Wird der Strahl nämlich mit Bezug auf die Position auf der letzten Linse (beispielsweise der Sammellinse
Ist der Strahl an einer bevorzugten Bezugsebene nicht direkt für die Charakterisierung zugänglich, so kann ein geeignetes abbildendes Verfahren verwendet werden, um die Ebene an einem gewünschten Ort abzubilden. Es ist allgemein möglich, den Strahl an anderer Stelle ausreichend zu charakterisieren und die Eigenschaften an der bevorzugten Bezugsebene zu berechnen.If the beam is not directly accessible for characterization at a preferred reference plane, a suitable imaging method can be used to image the plane at a desired location. It is generally possible to sufficiently characterize the ray elsewhere and to calculate the properties at the preferred reference plane.
Ein Teil
Ein erster Teilstrahl
Ein weiterer Teilstrahl
In einigen Parameterbereichen kann die zuvor beschriebene Methode nicht eindeutig sein, beispielsweise wenn der Ausgangsstrahl
In einigen Ausführungsformen der Analyseeinheit
Ferner kann beispielsweise ein Shack-Hartmann Sensor am Strahlausgang, z.B. hinter der letzten Linse
Mit Bezug zur Anwendung bei der Frequenzkonversion basieren die hierin beschriebene nAspekte des Weiteren zum Teil auf der Erkenntnis, dass, wenn einem Laserstrahl im z.B. infraroten Frequenzbereich der primären Strahlquelle vor der Frequenzkonversion (oder zwischen Frequenzkonversionsstufen im z.B. infraroten und sichtbaren Frequenzbereich) eine gegenläufige Phasen- und/oder Amplitudendeformation aufgeprägt wird, nach deren Überlagerung mit der im Frequenzkonverter hervorgerufenen Aberration ein verbessertes Strahlprofil des frequenzkonvertierten Strahls erzeugt werden kann.With reference to the application in frequency conversion, the nAspekte described here are also based in part on the knowledge that if a laser beam in the e.g. infrared frequency range of the primary beam source before the frequency conversion (or between frequency conversion stages in the e.g. infrared and visible frequency range) an opposing phase and / or amplitude deformation is impressed, after the superposition of which with the aberration caused in the frequency converter an improved beam profile of the frequency-converted beam can be generated.
Wie eingangs angesprochen kann es bei der Erzeugung von UV-Laserstrahlung durch nichtlineare Frequenzkonversion ausgehend von z.B. einem infraroten Laserstahl zu unerwünschten Aberrationen in der Amplitude und Phase der erzeugten UV-Laserstrahlung kommen. Derartige Aberrationen können beispielsweise durch den sogenannten Walk-off-Effekt, durch gegen den Strahl verkippte Facetten des nichtlinearen Kristalls bzw. der nichtlinearen Kristalle, allgemein durch Kristallfehler oder Oberflächenformfehler, wie sie beispielsweise durch die Anisotropie der Kristalle oder durch Herstellungsverfahren unerwünscht und nicht immer vollständig reproduzierbar erzeugt werden, oder durch andere, evtl. auch noch unbekannte Effekte oder durch diverse (prinzipielle oder fehlerhafte) Effekte in Hilfs- oder Folgeoptiken der Frequenzkonversion, wie z.B. in Optiken zur Trennung der Harmonischen, hervorgerufen werden.As mentioned at the beginning, the generation of UV laser radiation by non-linear frequency conversion based on e.g. an infrared laser beam can lead to undesirable aberrations in the amplitude and phase of the UV laser radiation generated. Such aberrations can be caused, for example, by the so-called walk-off effect, by facets of the nonlinear crystal or the nonlinear crystals tilted against the beam, generally by crystal defects or surface shape defects, such as are undesirable and not always complete, for example due to the anisotropy of the crystals or production processes can be reproducibly generated, or are caused by other, possibly still unknown effects or by various (principal or faulty) effects in auxiliary or follow-up optics for frequency conversion, such as in optics for separating the harmonics.
Mit dem Ziel, derartige Aberrationen möglichst gering zu halten und dabei möglichst wenig bis keine (aufgrund der UV-Bestrahlung anfällige) Optiken zur nachträglichen Korrektur der Aberrationen vorsehen zu müssen, wird hierin vorgeschlagen, dem Laserstrahl vor der Frequenzkonversion eine geeignete, insbesondere einstellbare, räumliche Phasen- und Amplitudenanpassung aufzuprägen, die sich mit den Aberrationen im Konversionskristall und/oder von eventuellen unvermeidbaren Folgeoptiken so überlagert, dass sich am Ausgang des Gesamtsystems wieder (nahezu) die gewünschten Strahleigenschaften ergeben. Durch diese Vorkompensation kann so die Zahl der der UV-induzierten Zerstörung ausgesetzten Optiken klein gehalten werden.With the aim of keeping such aberrations as low as possible and thereby having to provide as few or no optics as possible (which are susceptible to UV radiation) for subsequent correction of the aberrations, it is proposed here to give the laser beam a suitable, in particular adjustable, spatial one before the frequency conversion To impress phase and amplitude adaptations, which are superimposed with the aberrations in the conversion crystal and / or any unavoidable subsequent optics in such a way that (almost) the desired beam properties are obtained again at the output of the overall system. With this precompensation, the number of optics exposed to UV-induced destruction can be kept small.
Die hierein beschriebene Strahladaptionsvorrichtung kann dazu genutzt werden, einen oder mehrere Ausgangsstrahlen für die Frequenzkonversion bereitzustellen, die die aberrationshervorrufende Eigenschaft des Konversionskristalls beispielsweise bei der Erzeugung der dritten Harmonischen (THG) im UV kompensieren, oder auch bei der Erzeugung von UV-Strahlung durch die 2. oder 4. Harmonische (SHG, 4thHG), generell bei der Erzeugung höherer Harmonischer. Dabei bezieht sich die Vorkompensation mit der Strahladaptionsvorrichtung insbesondere auf eine nicht rotationssymmetrische Strahlform am Eintritt in den Konversionskristall, wie sie im Folgenden in Verbindung mit den
Neben der explizit angesprochenen UV-Strahlungserzeugung kann auch vor einer SHG oder einer anderen Frequenzkonversion mit Zielwellenlängen unter z.B. 550 nm die Strahladaptionsvorrichtung eingesetzt werden, denn auch in diesem Wellenlängenbereich kann es vorteilhaft sein, möglichst wenige Optiken in hoher Leistung zu verwenden. Z.B. lassen sich viele optische Materialien und Beschichtungen bei in diesem Wellenlängenbereich nicht mehr in einem Hochleistungslaserstrahl einsetzen, da sie beginnen zu absorbieren und thermische Linsen aufzubauen. Weiterhin können sich z.B. gasförmige Umgebungsluftkontaminationen bereits durch Licht im Bereich von 550 nm und weniger auf Optiken ablagern. So ist es vorteilhaft, die Anzahl der Optiken aus dem Bereich des kurzwelligen Lichts hinter einer Frequenzkonversion zu reduzieren. Dies kann beispielsweise durch die Strahlanpassung in der Strahladaptionsvorrichtung vor der Frequenzkonversion ermöglicht werden.In addition to the explicitly mentioned generation of UV radiation, the beam adaptation device can also be used before an SHG or another frequency conversion with target wavelengths below 550 nm, for example, because in this wavelength range it can also be advantageous to use as few high-power optics as possible. For example, many optical materials and coatings can no longer be used in a high-power laser beam in this wavelength range because they begin to absorb and build up thermal lenses. Furthermore, e.g. gaseous ambient air contamination from light in the range of 550 nm and less can deposit on optics. It is therefore advantageous to reduce the number of optics from the range of short-wave light behind a frequency conversion. This can be made possible, for example, by the beam adaptation in the beam adaptation device before the frequency conversion.
Vorteile aus einer Vorkompensation von strahlabwärts aufgeprägten Aberrationen mit Hilfe der Strahladaptionsvorrichtung können sich auch für Laser mit größerer Wellenlänge, z.B. Infrarot (IR)-Laser, ergeben, wenn eine nachträgliche Kompensation oder Vermeidung der Aberration, z.B. aufgrund schlechter Zugänglichkeit, z.B. durch Verrohrung oder Kapselung an diesen Stellen, nicht oder nicht gut möglich ist. In einem Konversionskristall kann beispielsweise der bereits erwähnte Walk-off-Effekt vorliegen, der dazu führt, dass eine der für den nichtlinearen Prozess benötigten Wellenlängen nicht genau in der gleichen Richtung propagiert wie die andere. Dadurch kann es zu einem unrunden frequenzkonvertierten Strahl kommen.
Bei der Verwendung einer Strahladaptionsvorrichtung
Die Frequenzkonversion geht von einer Strahlquelle
Die Strahladaptionsvorrichtung
In
Ohne entsprechende Strahladaptionsvorrichtung kann dies, wie in
Wie in
Mit anderen Worten legt das hierin vorgeschlagene Verfahren zur Frequenzkonversion den Ausgangsstrahl
Für die Vorkompensation kann, wie beispielhaft in
Walk-Off ist bei gegebener Kristallorientierung und Länge immer gleich, so dass man zu seiner Kompensation entsprechende, den Strahl nicht einstellbar formende, Festoptiken wählen könnte. Die Verwendung eines variablen astigmatischen Strahladapters hat aber den Vorteil, dass, wenn sich die tatsächliche Quelle und Stärke des Astigmatismus und der Unrundheit aufgrund der Überlagerung weiterer verschiedener Aberrationsursachen (siehe oben) oder - quellen (inklusive einer eventuell nicht vorhersagbar astigmatischen unrunden Quelle 52 A) nicht exakt voraussagen lässt, im jeweiligen Frequenzkonversionsmechanismus eine Feinjustage der Vorkompensation durchgeführt werden kann.With a given crystal orientation and length, walk-off is always the same, so that one could choose appropriate fixed optics that do not shape the beam in an adjustable manner to compensate for it. The use of a variable astigmatic beam adapter has the advantage that, if the actual source and strength of the astigmatism and the out-of-roundness due to the superposition of other different causes of aberrations (see above) or sources (including a possibly unpredictable astigmatic out-of-
Beispielsweise können sich Imperfektionen der Konversionskristalle oder der nachfolgenden Optiken auf die benötigte Vorkompensation auswirken. So kann beispielsweise die optische Oberfläche der Kristalle durch die Politur einen leichten Zylinder aufweisen oder es liegt eine sich auswirkende Anisotropie des Kristalls/der Kristalle vor. Gerade aufgrund der Vielzahl von Parametern (bekannt und unbekannt) ist hier der Einsatz einer Strahladaptionsvorrichtung zur variablen Strahlformung besonders nützlich, da so die Strahlparameter leicht von Lasersystem zu Lasersystem auf die speziellen Verhältnisse anpassbar sind.For example, imperfections in the conversion crystals or the subsequent optics can affect the required precompensation. For example, the optical surface of the crystals can have a slight cylinder as a result of the polishing or there is an anisotropy of the crystal (s) that has an effect. Because of the large number of parameters (known and unknown), the use of a beam adaptation device for variable beam shaping is particularly useful here, since the beam parameters can easily be adapted from laser system to laser system to the special conditions.
Dies wäre insbesondere mit einer Zylinderlinse oder einer einzelnen verkippten Linse nicht möglich. Selbst zwei verkippte Linsen können eine noch zu geringe Flexibilität bieten, da dann zwar der Unterschied der beiden Achsen variabel einstellbar sein kann, jedoch die mittlere Vergrößerung des Strahls nicht. Überdies ändert sich die mittlere Vergrößerung im Vergleich zum Aufbau mit gerade in den Strahl gestellten Linsen.In particular, this would not be possible with a cylindrical lens or a single tilted lens. Even two tilted lenses can still offer insufficient flexibility, since the difference between the two axes can then be variably adjusted, but the mean magnification of the beam cannot. In addition, the mean magnification changes compared to the setup with lenses straight into the beam.
Neben der beispielhaft in
Das ausgeführte Beispiel des Einsatzes einer Strahladaptionsvorrichtung bei der Frequenzkonversion zeigt, dass Strahladaptionsvorrichtungen allgemein in optischen Systemen immer dann eingesetzt werden können, wenn aus unterschiedlichsten Gründen (z.B. Austausch von Komponenten mit nicht identischen Eigenschaften, schlechte Zugangsmöglichkeiten z.B. aufgrund von geschlossenen/verrohrten Systemen, Betriebsparameter-abhängige Beeinflussung von Strahlparametern etc.) eine hohe Flexibilität hinsichtlich einer kontinuierlich variablen Anpassung des Laserstrahls benötigt wird.The example given of the use of a beam adaptation device for frequency conversion shows that beam adaptation devices can generally be used in optical systems when, for a wide variety of reasons (e.g. replacement of components with non-identical properties, poor access options, e.g. due to closed / piped systems, operating parameters - dependent influencing of beam parameters etc.) a high degree of flexibility with regard to a continuously variable adjustment of the laser beam is required.
Die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung erlaubt es mit einfachen Mitteln, für eine Vielzahl von Eingangsparametern den jeweils gewünschten Ausgangsparameter eines Laserstrahls bereitzustellen. Entsprechend können optische Einflüsse verschiedenster Komponenten in optischen Systemen flexibel mit den hierin offenbarten Strahladaptionsvorrichtungen kompensiert werden.The beam adaptation device disclosed herein makes it possible, with simple means, to provide the respectively desired output parameter of a laser beam for a large number of input parameters. Accordingly, optical influences of the most varied of components in optical systems can be compensated flexibly with the beam adaptation devices disclosed herein.
D.h., dass das Konzept der Vorkompensation allgemein auch auf nicht UV-Systeme übertragen werden kann, wenn z.B. die nachträgliche Korrektur aus anderen Gründen (z.B. Zugänglichkeit) nicht oder nur schwer möglich ist.This means that the concept of pre-compensation can generally also be transferred to non-UV systems if, for example, subsequent correction is not possible or is only possible with difficulty for other reasons (e.g. accessibility).
Mit Blick auf die allgemeine Einsetzbarkeit der Strahladaptionsvorrichtung erstreckt sich der Wellenlängenbereich auch auf bzgl. der oben angegebenen beispielhaften Wellenlängen kürzere und längere Wellenlängen. So können beispielsweise ZnSe-Linsen auch für CO2-Laser eine Ausführung der Strahladaptionsvorrichtung im entsprechenden Wellenlängenbereich des CO2-Lasers ermöglichen.With a view to the general applicability of the beam adaptation device, the wavelength range also extends to shorter and longer wavelengths with respect to the exemplary wavelengths specified above. For example, ZnSe lenses for CO2 lasers can also enable the beam adaptation device to be designed in the corresponding wavelength range of the CO2 laser.
Beispielsweise kann die Strahladaptionsvorrichtung bei Bearbeitungsoptiken für Strahlwerkezeuge eingesetzt werden, die reproduzierbar einen runden Spot definierter Größe in definierter Lage nach der Bearbeitungsoptik erzeugen sollen. Derartige Bearbeitungsoptiken benötigen einen anastigmatischen und runden Eingangsstrahl definierter Größe und Divergenz, der mit der Strahladaptionsvorrichtung bereitgestellt werden kann. Ferner können z.B. diffraktive optische Elemente (DOE) von Eingangsstrahlen mit reproduzierbar einstellbaren, genau definierten und engtolerierten Strahlparametern profitieren.For example, the beam adaptation device can be used in processing optics for beam tools which are intended to reproducibly produce a round spot of a defined size in a defined position after the processing optics. Such processing optics require an anastigmatic and round input beam of defined size and divergence, which can be provided with the beam adaptation device. Furthermore, diffractive optical elements (DOE), for example, can benefit from input beams with reproducible, adjustable, precisely defined and tightly tolerated beam parameters.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and / or the claims are viewed as separate and independent of one another for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, regardless of the combinations of features in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range specifications or specifications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as a limit of a range specification.
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