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 ISO 13694 , ISO 11145 und ISO 11146 definiert sind. Es können jedoch auch andere geeignete Definitionen verwendet werden.This refers to the lateral beam dimension and the divergence of a beam. This essentially refers to the 2nd moments of the field or intensity distributions, as they are in the standards ISO 13694 , ISO 11145 and ISO 11146 are defined. However, other suitable definitions can also be used.

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 US 2009/0257118 A1 eine Teleskopanordnung zur Strahlformung, die aufgrund der z.B. im Voraus gewählten Spiegel keine Variabilität hinsichtlich der Strahlanpassung aufweist.In particular, the lateral extent of a laser beam and its divergence in several axes often have to be adapted differently between the beam source, beam guidance and application system. For many systems that receive such a beam, a particularly rotationally symmetrical beam is required, which the beam sources or the optical systems preceding the receiving system cannot provide with the required accuracy. In some recording systems, however, a precisely defined, non-rotationally symmetrical, for example elliptical and / or astigmatic, shape of the laser beam is also the aim of the adaptation. General shows US 2009/0257118 A1 a telescope arrangement for beam shaping, which has no variability in terms of beam adaptation due to the mirrors selected in advance, for example.

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. US 2012/0120481 A1 und US 2004/0228372 A1 . Allerdings können Optikkomponenten derartiger optischer Korrektursysteme durch die UV-Laserstrahlung eine allmähliche, der Funktion des Gesamtsystems abträgliche Beeinflussung (z.B. eine lokale Zerstörung) der Oberfläche, insbesondere einer Oberflächenbeschichtung, erfahren.When generating, for example, ultraviolet (UV) laser radiation through non-linear frequency conversion, undesired aberrations in the amplitude and phase of the UV laser radiation can occur in a frequency conversion unit. Such aberrations are compensated, for example, by downstream optical systems designed for correction, see, for example US 2012/0120481 A1 and US 2004/0228372 A1 . However, optical components of such optical correction systems can experience a gradual influence (eg local destruction) on the surface, in particular a surface coating, that is detrimental to the function of the overall system due to the UV laser radiation.

Ferner offenbart DE 10 2010 003591 A1 eine Anordnung zur Frequenzkonversion, bei der zur Kompensation einer Differenz der Ausbreitungsrichtungen in einem nichtlinearen Kristall ein Strahlversatz zweier Eingangsstrahlen durch einen relativ kleinen, zur Strahlachse versetzten und/oder verkippten Linsendurchtritt bewirkt wird. Da nur ein geringer Strahlversatz benötigt wird, wird dabei eine zu starke Elliptizität der einfallenden Laserstrahlen vermieden. US 8422119 B1 offenbart ferner eine Kombination aus einem nichtlinearen Kristall zur Frequenzkonversion und einer Zylinderlinse, die vor dem nichtlinearen Kristall zur Erzeugung einer speziellen Strahlform im nichtlinearen Kristall angeordnet ist.Also disclosed DE 10 2010 003591 A1 an arrangement for frequency conversion in which, to compensate for a difference in the directions of propagation in a nonlinear crystal, a beam offset of two input beams is effected by a relatively small lens passage offset and / or tilted relative to the beam axis. Since only a small beam offset is required, excessive ellipticity of the incident laser beams is avoided. US 8422119 B1 further discloses a combination of a non-linear crystal for frequency conversion and a cylindrical lens which is arranged in front of the non-linear crystal for generating a special beam shape in the non-linear crystal.

Ferner offenbaren DE 601 20 905 T2 ein optisches System mit elektronischer Punktgößensteuerung und Fokussierungskontrolle, US 5745296 A eine Linsenanordnungen für eine Mehrstrahlaufzeichnungsvorrichtung und US 2012/0032065 A1 eine dynamische Wellenfrontsteuerung eines Lasersystems mit Frequenzumwandlung.Also reveal DE 601 20 905 T2 an optical system with electronic point size control and focus control, US 5745296 A a lens assembly for a multi-beam recorder and US 2012/0032065 A1 a dynamic wavefront control of a laser system with frequency conversion.

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 claim 1, a frequency conversion unit according to claim 10, and an optical system according to claim 13 and by a method for frequency conversion according to claim 15. Further developments are given in the subclaims.

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 bis 1C 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.
Concepts are disclosed herein that allow aspects from the prior art to be improved at least in part. In particular, further features and their usefulness emerge from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:
  • 1A to 1C 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 2) erläutert. Anschließend wird in Verbindung mit den 3 und 4 eine beispielhafte Implementierung und eine beispielhafte Strahlanalyseeinheit beschrieben. In Verbindung mit den 5 und 6 wird abschließend die Anwendung einer Strahladaptionsvorrichtung im Rahmen einer Frequenzkonversion und deren Integration in ein UV-Laserstrahlung erzeugendes System beschrieben.The effects of divergence adaptation (in connection with FIGS. 1A to 1C) and the generation of astigmatism by tilting lenses (in connection with 2 ) explained. Then, in conjunction with the 3 and 4th an exemplary implementation and an exemplary beam analysis unit are described. In connection with the 5 and 6th Finally, the application of a beam adaptation device in the context of a frequency conversion and its integration into a system that generates UV laser radiation is described.

1A zeigt einen klassischen variablen Strahlaufweiter 1 aus drei Linsen (oder Linseneinheiten): einer ersten Sammellinse L1, einer Streulinse L2 und einer zweiten Sammellinse L3. Der Strahlaufweiter 1stellt einen beispielhaften Grundaufbau der hierin offenbarten Strahladaptionsvorrichtung dar. Die Funktion kann anschaulich wie folgt beschrieben werden. Die ersten beiden Linsen L1, L2 bilden in Abhängigkeit von ihren Brennweiten f1, f2 und ihrem Abstand d12 ein Element variabler Brennweite, mit welchem die Divergenz in einem Strahlabschnitt 3 hinter den beiden Linsen L1, L2 und vor der zweiten Sammellinse L3 verändert werden kann. Wie in 1A angedeutet ist, propagiert der Strahl zur im Abstand d23 von der zweiten Linse angeordneten dritten Linse L3 und ändert dabei seine Größe gemäß der eingestellten Divergenz. 1A shows a classic variable beam expander 1 of three lenses (or lens units): a first converging lens L1 , a divergent lens L2 and a second converging lens L3 . The beam expander 1 represents an exemplary basic structure of the beam adaptation device disclosed herein. The function can be clearly described as follows. The first two lenses L1 , L2 form, depending on their focal lengths f1, f2 and their distance d12, an element of variable focal length with which the divergence in a beam section 3 behind the two lenses L1 , L2 and in front of the second converging lens L3 can be changed. As in 1A is indicated, the beam propagates to the third lens arranged at a distance d23 from the second lens L3 and changes its size according to the set divergence.

Die 1B und 1C zeigen, dass ein kleinerer Abstand d12' die Divergenz verstärkt bzw. ein größerer Abstand d12'' die Divergenz reduziert (zumindest solange der Abstand d12 kleiner ist als der Abstand zwischen der Sammellinse L1 und dem durch die Sammellinse L1 erzeugten Fokus). Dadurch ändert sich auch die Größe des Strahls an der Sammellinse L3 (z.B. der Strahldurchmesser basierend auf dem FWHM des Intensitätsprofils), wobei durch ein Verschieben der Sammellinse L3 (also eine Änderung des Abstands d23) die aktuelle Größe des Strahls an der Sammellinse L3 ebenfalls veränderbar ist.The 1B and 1C show that a smaller distance d12 'increases the divergence and a larger distance d12''reduces the divergence (at least as long as the distance d12 is smaller than the distance between the converging lens L1 and that through the converging lens L1 generated focus). This also changes the size of the beam at the converging lens L3 (e.g. the beam diameter based on the FWHM of the intensity profile), whereby by moving the converging lens L3 (i.e. a change in the distance d23) the current size of the beam at the converging lens L3 can also be changed.

Man erkennt, dass eine gewünschte (Soll-) Strahlgröße an der zweiten Sammellinse L3 dabei in einem weiten Bereich auf beliebig viele unterschiedliche Weisen erreicht werden kann, z.B. mit einer kleinen Divergenz und einem großen Abstand d23 (Propagationslänge) oder einer großen Divergenz und einem kleinen Abstand d23.It can be seen that a desired (target) beam size is at the second converging lens L3 can be achieved in a wide range in any number of different ways, for example with a small divergence and a large distance d23 (propagation length) or a large divergence and a small distance d23.

Die zweite Sammellinse L3 ändert nun noch einmal die Divergenz des Strahls. Dabei hängt ihr Einfluss auf die Divergenz von der Brennweite der zweiten Sammellinse L3 und der Größe des Strahls 3 an der zweiten Sammellinse L3 ab. Je größer der Strahl an der zweiten Sammellinse L3 und je kleiner die Brennweite f3 ist, desto größer ist die bewirkte Divergenzänderung. Die Größe des Strahls wird durch eine einzelne Linse (hier durch die zweite Sammellinse L3) nicht beeinflusst.The second converging lens L3 now changes the divergence of the beam again. Their influence on the divergence depends on the focal length of the second converging lens L3 and the size of the beam 3 at the second converging lens L3 from. The larger the beam at the second converging lens L3 and the smaller the focal length f3, the greater the change in divergence caused. The size of the beam is determined by a single lens (here by the second converging lens L3 ) unaffected.

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 L3 auftreffen zu lassen, dass durch die zweite Sammellinse L3 die gewünschte Ausgangsdivergenz als Ausgangsstrahlparameter erreicht wird. Für eine entsprechend kontinuierliche Einstellung der Ausgangsstrahlparameter sind in 1A beispielhaft die Einstellbarkeit des Abstandes d12 zwischen der ersten Sammellinse L1 und der Streulinse L2 durch einen die Verschiebbarkeit der Streulinse L2 anzeigenden Pfeil 5A und die Einstellbarkeit des Abstandes d23 der zweiten Sammellinse L3 zu Streulinse L2 durch einen die Verschiebbarkeit der Sammellinse L3 anzeigenden Pfeil 5B angedeutet.Since, as stated above, the (nominal) beam size can be achieved with different divergences, it is possible, with a sensible choice of the focal length f3, to diverge the beam precisely in this way onto the second converging lens L3 to let that impinge through the second converging lens L3 the desired output divergence is achieved as an output beam parameter. For a correspondingly continuous setting of the output beam parameters, see in 1A for example, the adjustability of the distance d12 between the first converging lens L1 and the divergent lens L2 by the displaceability of the divergent lens L2 indicating arrow 5A and the adjustability of the distance d23 of the second converging lens L3 to divergent lens L2 by the displaceability of the converging lens L3 indicating arrow 5B indicated.

Verwendet man im Strahlaufweiter 1 nur zentrierte rotationssymmetrische Linsen und setzt man einen entlang der gemeinsamen Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Linsen verlaufenden Strahlengang voraus, findet eine rotationssymmetrische Strahlformung statt.Used in the beam expander 1 only centered rotationally symmetrical lenses and assuming a beam path running along the common axis of symmetry of the rotationally symmetrical lenses, a rotationally symmetrical beam shaping takes place.

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.

2 verdeutlicht den Einfluss einer Verkippung einer rotationssymmetrischen Linse L bzgl. einer durch die Propagationsrichtung des Strahls vorgegebenen Strahlachse 7. Die Symmetrieachse 9 der Linse L, welche auch als optische Achse einer rotationssymmetrischen Linse bezeichnet wird, verläuft unter einem Winkel φ zur Strahlachse 7. In 2 erfolgt die Verkippung um eine Kippachse 11, die senkrecht zur und durch die Strahlachse 7 verläuft. 2 illustrates the influence of a tilting of a rotationally symmetrical lens L with respect to a beam axis predetermined by the direction of propagation of the beam 7th . The axis of symmetry 9 the lens L, which is also referred to as the optical axis of a rotationally symmetrical lens, runs at an angle φ to the beam axis 7th . In 2 the tilting takes place around a tilting axis 11 that are perpendicular to and through the beam axis 7th runs.

Für einen einfallenden Strahl 13A hängt die Brennweite der Linse L nun von der Orientierung der betrachteten Ebene ab, da die Krümmung der Linse nun nicht mehr rotationssymmetrisch zur Strahlachse 7 ist. In der Meridionalebene 17A, in der die Strahlachse 7 wie auch die Symmetrieachse 9 der Linse verlaufen und auf der die Kippachse 11 senkrecht steht, kommt es zu einer Verkürzung der Brennweite (Brennweite fm in 2) im Vergleich zur Brennweite in der Sagittalebene 17 B (Brennweite fs in 2), welche ebenfalls die Strahlachse 7 enthält aber zur Meridionalebene 17A senkrecht steht und welche damit auch die Kippachse 15 enthält. Es kommt zu einem Astigmatismus im auslaufenden Strahl 13B.For an incident ray 13A the focal length of the lens L now depends on the orientation of the plane under consideration, since the curvature of the lens is no longer rotationally symmetrical to the beam axis 7th is. In the meridional plane 17A , in which the beam axis 7th as well as the axis of symmetry 9 the lens and on which the tilt axis 11 stands vertically, the focal length is shortened (focal length fm in 2 ) compared to the focal length in the sagittal plane 17th B (focal length fs in 2 ), which is also the beam axis 7th but contains to the meridional plane 17A is vertical and which is also the tilting axis 15th contains. Astigmatism occurs in the outgoing beam 13B .

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 7 enthaltenden Ebenen, d.h. keine astigmatische Wirkung).In contrast to cylinder optics (which are fixed in the beam) or other non-rotationally symmetrical, fixed optics, the astigmatic effect of tiltable, rotationally symmetrical optics can be adjusted continuously, for example starting from a zero point (no tilting, identical focal lengths in all of the beam axis 7th containing planes, ie no astigmatic effect).

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.

3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Strahladaptionsvorrichtung 21, die auf dem klassischen variablen Strahlaufweiter 1basiert. Auf einer Justageschiene 23 mit einem Schienenpaar, das sich entlang einer Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 (gegeben durch die bevorzugte Propagationsrichtung eines eingekoppelten Laserstrahls) erstreckt, sind eine erste Sammellinseneinheit 27, eine zweiten Sammellinseneinheit 29 und eine zwischen diesen angeordnete Streulinseneinheit 31 angeordnet. Mindestens zwei der drei Einheiten weisen einen in die Justageschiene 23 eingreifenden Schlitten 33 auf. Die Sammellinseneinheiten 27, 29 sind Beispiele für Astigmatismus-Linseneinheiten, die es erlauben, lokal eine wie in 2 erläuterte Astigmatismus-Einstellung vorzunehmen und damit im nachfolgenden optischen System einen Astigmatismus und eine nicht rotationssymmetrische laterale Ausdehnung eines Strahls zu beeinflussen. Ferner ist die Streulinseneinheit 31 ein Beispiel für eine Divergenzanpassungslinseneinheit, die es erlaubt, eine Divergenz-Einstellung vorzunehmen und damit die Divergenz lokal symmetrisch beieinflusst und damit im nachfolgenden optischen System im Wesentlichen nur Einfluss auf die mittlere laterale Ausdehnung und die mittlere Divergenz hat. 3 shows an exemplary embodiment of a beam adaptation device 21 which is based on the classic variable jet expander 1. On an adjustment rail 23 with a pair of rails extending along a beam axis 25th the beam adapter 21 (given by the preferred direction of propagation of a coupled laser beam) are a first converging lens unit 27 , a second positive lens unit 29 and a divergent lens unit disposed therebetween 31 arranged. At least two of the three units have one in the adjustment rail 23 engaging carriage 33 on. The converging lens units 27 , 29 are examples of astigmatism lens units that allow a locally like in 2 to make the astigmatism setting explained and thus to influence an astigmatism and a non-rotationally symmetrical lateral extension of a beam in the subsequent optical system. Further is the divergent lens unit 31 an example of a divergence adjustment lens unit which allows a divergence setting to be made and thus influences the divergence locally symmetrically and thus essentially only influences the mean lateral extent and the mean divergence in the subsequent optical system.

Die erste Sammellinseneinheit 27 ist an einem Ende der Justageschiene 23 angeordnet und weist mindestens eine erste Sammellinse LI auf, die bzgl. einer sich zur Strahlachse 25 orthogonal erstreckenden Ebene verkippbar gehalten ist. D.h., eine optische Achse (nicht explizit eingezeichnet) der Sammellinse L1 kann bzgl. der Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 gekippt werden. Hierzu erkennt man in 3 eine erste Drehhalterung 35, die um eine erste Kippachse 35A, die senkrecht zu einer durch das Schienenpaar aufgespannten Ebene (hier die x-z-Ebene) steht, drehbar am Schlitten 33 bereitgestellt ist. Dabei verläuft die Kippachse 35A der Drehhalterung 35 insbesondere durch die Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 (solange keine Translation quer zur Strahlachse 25 vorgenommen wird).The first converging lens unit 27 is at one end of the adjustment rail 23 arranged and has at least one first converging lens LI, which with respect to. One to the beam axis 25th orthogonally extending plane is kept tiltable. That is, an optical axis (not explicitly shown) of the converging lens L1 can with respect to the beam axis 25th the beam adapter 21 be tilted. For this one recognizes in 3 a first swivel mount 35 around a first tilt axis 35A , which is perpendicular to a plane spanned by the pair of rails (here the xz plane), can be rotated on the slide 33 is provided. The tilt axis runs here 35A the swivel mount 35 especially through the beam axis 25th the beam adapter 21 (as long as there is no translation transverse to the beam axis 25th is made).

Ferner erkennt man eine an der ersten Drehhalterung 35 angebrachte zweite Drehhalterung 37 zur Aufnahme der Sammellinse L1 und zum Positionieren derselben in der Strahlachse 25. Die zweite Drehhalterung 37 stellt eine zweite Kippachse 37A bereit, die senkrecht zur ersten Kippachse 35A und insbesondere durch die Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 verläuft (solange keine Translation quer zur Strahlachse 25 vorgenommen wird). Zur Verdeutlichung ist die Lage der zweiten Kippachse 37A aufgrund der vorgenommenen Verkippung um die erste Kippachse 35A um einen Winkel φ1 im Koordinatensystem angedeutet.One can also be seen on the first rotating bracket 35 attached second swivel mount 37 to accommodate the converging lens L1 and for positioning them in the beam axis 25th . The second swivel mount 37 represents a second tilt axis 37A ready to be perpendicular to the first tilt axis 35A and in particular through the beam axis 25th the beam adapter 21 runs (as long as there is no translation transverse to the beam axis 25th is made). For clarity, the position of the second tilt axis is 37A due to the tilting around the first tilting axis 35A indicated by an angle φ1 in the coordinate system.

Überdies kann die erste Sammellinseneinheit 27 eine oder mehrere Translationseinheiten (nicht gezeigt) zur Verschiebung der Sammellinse L1 transversal zur Strahlachse 25 aufweisen, die damit zur Kompensation evtueller Ablenkungen der Strahlpropagationsrichtung weg von der Strahlachse 25 dienen. In der beispielhaften Ausführungsform der 3 ist der Schlitten 33 der ersten Sammellinseneinheit 27 z.B. ortsfest mit der Justageschiene 23 verschraubt.In addition, the first positive lens unit 27 one or more translation units (not shown) for moving the converging lens L1 transverse to the beam axis 25th have, which thus compensate for possible deflections of the beam propagation direction away from the beam axis 25th serve. In the exemplary embodiment of 3 is the sled 33 the first positive lens unit 27 eg stationary with the adjustment rail 23 screwed.

Im Ergebnis erlauben es die erste Drehhalterung 35 und die zweite Drehhalterung 37, die Sammellinse L1 in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel φ verkippt zur Strahlachse 25 auszurichten.As a result, the first swivel mount allow it 35 and the second rotating bracket 37 who have favourited the converging lens L1 tilted in any direction by an adjustable angle φ to the beam axis 25th align.

Am anderen Ende der Justageschiene 23 ist die zweite Sammellinseneinheit 29 angeordnet, wobei die zweite Sammellinse L3 analog zur Ausführung der ersten Sammellinseneinheit 27 um zwei Achsen kippbar gehalten wird. Man erkennt ferner, dass die Lage der zweiten Sammellinseneinheit 29 über den zugehörigen Schlitten entlang des Schienenpaares, d.h. der Strahlachse 25, verschoben und lokal fixiert werden kann.At the other end of the adjustment rail 23 is the second positive lens unit 29 arranged, the second converging lens L3 analogous to the design of the first converging lens unit 27 is held tiltable about two axes. It can also be seen that the position of the second converging lens unit 29 via the associated carriage along the pair of rails, ie the beam axis 25th , can be moved and fixed locally.

Die Streulinseneinheit 31 umfasst ebenfalls einen entlang des Schienenpaares verschiebbaren Schlitten 33, der eine Halterung 38 trägt, die die z.B. kurzbrennweitige Streulinse L2 symmetrisch zur Strahlachse 25 positioniert.The diffusing lens unit 31 also comprises a slide which can be displaced along the pair of rails 33 holding a bracket 38 carries, for example, the short focal length divergent lens L2 symmetrical to the beam axis 25th positioned.

Die Sammellinse L1 der ersten Sammellinseneinheit 27 und die Streulinse L2 der Streulinseneinheit 31 wirken als optisches Eingangselement 39 der Strahladaptionsvorrichtung 21 und die Sammellinse L3 der zweiten Sammellinseneinheit 29 stellt das optische Ausgangselement der Strahladaptionsvorrichtung 21 dar.The collecting lens L1 the first positive lens unit 27 and the divergent lens L2 the divergent lens unit 31 act as an optical input element 39 the beam adapter 21 and the converging lens L3 the second positive lens unit 29 represents the optical output element of the beam adaptation device 21 represent.

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 21 anhand eines runden, anastigmatisch kollimierten Eingangsstrahls beschrieben, welchem beispielsweise eine Unrundheit und ein Astigmatismus aufgeprägt werden. Das Funktionsprinzip kann jedoch auch für unrunde, astigmatische (konvergente oder divergente) Eingangsstrahlen umgesetzt werden, bei welchen die Rundheit und der Astigmatismus verändert werden, beispielsweise die Divergenz auf ein dem Stahl entsprechendes Minimum reduziert wird, und der Strahl beispielsweise in einen runden anastigmatischen Strahl umgewandelt wird.The following is the effect of the beam adaptation device 21 with the aid of a round, anastigmatically collimated input beam, on which, for example, an out-of-roundness and an astigmatism are impressed. However, the functional principle can also be implemented for non-circular, astigmatic (convergent or divergent) input beams in which the roundness and astigmatism are changed, for example the divergence is reduced to a minimum corresponding to the steel, and the beam is converted into a round anastigmatic beam, for example becomes.

Die Form von in der Strahladaptionsvorrichtung 21 verwendeten Linsen kann sphärisch oder möglicherweise teilweise oder durchgehend asphärisch sein. Dabei können die Linsen einseitig plan oder beidseitig gekrümmt sein. Ferner sind gleichsinnige oder gegensinnige Oberflächenkrümmungen möglich, wobei die spezielle Form einer Linse den Effekt des gewünschten Astigmatismus und der unerwünschten Aberrationen höherer Ordnung bei Verkippung beeinflussen kann.The shape of in the beam adapter 21 lenses used can be spherical or possibly partially or continuously aspherical. The lenses can be flat on one side or curved on both sides. In addition, surface curvatures in the same direction or in opposite directions are possible, the special shape of a lens being able to influence the effect of the desired astigmatism and the undesired higher order aberrations when tilted.

Bei einer vorliegenden Verkippung der Sammellinse L1 ist die Linsenkombination L1, L2 allgemein auf eine astigmatisch divergierende Wirkung eingestellt. Die mittlere Divergenz kann durch den Abstand der Linsen L1 und L2 zueinander frei eingestellt werden. Die astigmatische Differenz kann durch den effektiven, sich aus den beiden Kippwinkeln bezüglich der Kippachsen 35A, 37A ergebenden, Kippwinkel φ eingestellt werden. Die Ausrichtung der nun minimalen Divergenz in der Meridionalebene und der maximalen Divergenz in der Sagittalebene können durch den Azimuthwinkel der dem effektiven Kippwinkel zugeordneten Kippachse (in der x-y-Ebene) gewählt werden. Wird nur eine Verkippung vorgenommen, z.B. um die Kippachse 35A oder die Kippachse 37A, entspricht diese Kippachse der effektiven Kippachse und die Meridional- und Sagittalebenen werden durch diese Kippachse definiert. Die Verkippung kann beispielsweise auch mit entsprechenden Drehhalterungen erzeugt werden, mit welchen die Kippachse in der x-y-Ebene um die Strahlachse rotiert werden kann.If the converging lens is tilted L1 is the lens combination L1 , L2 generally adjusted to an astigmatic diverging effect. The mean divergence can be determined by the distance between the lenses L1 and L2 can be freely adjusted to each other. The astigmatic difference can be determined by the effective one from the two tilt angles with respect to the tilt axes 35A , 37A resulting, tilt angle φ can be set. The orientation of the now minimal divergence in the meridional plane and the maximal divergence in the sagittal plane can be selected by the azimuth angle of the tilt axis assigned to the effective tilt angle (in the xy plane). If only one tilt is carried out, for example around the tilt axis 35A or the tilt axis 37A , this tilt axis corresponds to the effective tilt axis and the meridional and sagittal planes are defined by this tilt axis. The tilting can also be generated, for example, with corresponding rotary mounts with which the tilting axis can be rotated in the xy plane about the beam axis.

Zusammenfassend weitet sich bei einer vorliegenden Verkippung der Strahl nach der Linsenkombination L1, L2, d.h. dem optischen Eingangselement 39, entsprechend der eingestellten nicht rotationssymmetrischen Divergenz auf und bekommt ein elliptisches Profil.In summary, if there is a tilt, the beam expands after the lens combination L1 , L2 , ie the input optical element 39 , according to the set, non-rotationally symmetrical divergence and is given an elliptical profile.

Die Sammellinse L3 wird nun ebenfalls um eine effektive, in der x-y-Ebene liegende Kippachse um einen Winkel gekippt. Die laterale Ausdehnung des Strahls am Ort der Sammellinse L3 wird von der Sammellinse L3 nicht beeinflusst. Die astigmatische Wirkung der Sammellinse L3 beschreibt sich wie die der Sammellinse L1, jedoch mit eigenen Meridional- und Sagittalebenen. Die Kombination aus dem durch das optische Eingangselement 39 erzeugten Astigmatismus des Strahls mit dem durch die Sammellinse L3 erzeugten Astigmatismus erlaubt es, einen allgemeinen Astigmatismus des Ausgangsstrahls zu erzeugen, der in einem in weiten Bereichen frei parametrisierbar ist.The collecting lens L3 is now also tilted by an angle about an effective tilt axis lying in the xy plane. The lateral extent of the beam at the location of the converging lens L3 is from the converging lens L3 unaffected. The astigmatic effect of the converging lens L3 describes itself like that of the converging lens L1 , but with their own meridional and sagittal planes. The combination of that through the input optical element 39 generated astigmatism of the beam with that through the converging lens L3 generated astigmatism makes it possible to generate a general astigmatism of the output beam, which can be freely parameterized in a wide range.

Beispielsweise kann die Sammellinse L3 so gekippt werden, dass die durch die Linsen L1 und L2 verursachte richtungsabhängig unterschiedliche Divergenz wieder kompensiert wird und ein Strahl mit nicht rotationssymmetrischer lateraler Ausdehnung und gleicher Divergenz in allen Richtungen oder z.B. mit richtungsabhängig minimal möglicher Divergenz erzeugt wird.For example, the converging lens L3 be tilted so that the through the lenses L1 and L2 caused direction-dependent different divergence is compensated again and a beam with non-rotationally symmetrical lateral extent and the same divergence in all directions or, for example, with direction-dependent minimally possible divergence is generated.

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 25 des Systems ergänzt werden.Since a real (thick) lens always causes a beam offset by tilting, the tiltability of a lens can, as mentioned above, be achieved by displacing the lens perpendicular to the beam axis 25th of the system can be added.

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 L1 und die zweite Sammellinse L3 jeweils eine Plankonvexlinse und die Streulinse ist eine Bikonkavlinse. Die Streulinse L2 hat, wie im Beispiel der 3, beispielsweise keine Freiheitsgrade zur Kippung. Die transversalen Lagen entlang der Strahlachse 25 (z-Positionen) der Streulinse L2 und der zweiten Sammellinse L3 können sich beispielsweise über eine Schwalbenschwanzführung fein einstellen lassen.In an exemplary embodiment, the first converging lens L1 and the second converging lens L3 each has a planoconvex lens and the divergent lens is a biconcave lens. The divergent lens L2 has, as in the example of 3 , for example no degrees of freedom for tilting. The transverse layers along the beam axis 25th (z-positions) of the divergent lens L2 and the second converging lens L3 can be finely adjusted, for example, using a dovetail guide.

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 25 (z-Achse) rotierbar ist. Im Unterschied zu den Sammellinseneinheiten 27, 29 in 3 weist hierfür eine Sammellinseneinheit anstelle der ersten Drehhalterung z.B. eine Rotationsvorrichtung auf, die die Orientierung der Kippachse der zweiten Drehhalterung in der x-y-Ebene um die Strahlachse 25 frei wählbar macht. Es lassen sich somit benötigte Orientierungen einstellen, wobei der Kippwinkel der zweiten Drehhalterung der effektive Kippwinkel ist und die Kippachse gleich der effektiven Kippachse ist. Ferner können in einigen Ausführungsformen Linsen in Tubussystemen positioniert werden, wobei eine z-Position beispielsweise über einen Gewinde- oder Schneckengangversteller einstellbar sein kann. Wichtig für die verschiedenen Ausführungsformen ist, dass man die Richtung der Symmetrieachse der zu verkippenden Linsen, d.h. die Richtung der optischen Achse 9 der Linse in 2, frei einstellen kann. Generell können zur Analyse des Strahls nach dem variabel astigmatischen Strahladapter verschiedenste Analyseverfahren eingesetzt werden, die Information zur Divergenz und Strahlgröße liefern. Bekannte Verfahren zur Strahldurchmesserbestimmung und Strahldivergenzbestimmung schließen insbesondere die in der ISO 11146 genannten Verfahren ein. Weiter ist auch der Einsatz von Wellenfrontsensoren wie z.B. eines Hartmann- oder Shack-Hartmann-Sensors möglich. Es können auch verschiede Verfahren miteinander kombiniert werden. Generell vorzuziehen sind Verfahren, die eine schnelle Charakterisierung der Strahleigenschaften an der Bezugsebene ermöglichen und so den Effekt der Justage des variablen astigmatischen Strahladapters unmittelbar in Echtzeit anzeigen.In some embodiments, for example, one tilt axis can be provided per (collective) lens, the orientation of the tilt axis around the beam axis 25th (z-axis) is rotatable. In contrast to the converging lens units 27 , 29 in 3 has for this purpose a converging lens unit instead of the first rotary holder, for example a rotary device, which aligns the tilt axis of the second rotary holder in the xy plane around the beam axis 25th makes freely selectable. The required orientations can thus be set, the tilt angle of the second rotary mount being the effective tilt angle and the tilt axis being the same as the effective tilt axis. Furthermore, in some embodiments, lenses can be positioned in tube systems, it being possible for a z-position to be adjustable, for example, via a thread or worm gear adjuster. It is important for the various embodiments that the direction of the axis of symmetry of the lenses to be tilted, ie the direction of the optical axis 9 the lens in 2 , can adjust freely. In general, a wide variety of analysis methods can be used to analyze the beam according to the variable astigmatic beam adapter, which provide information on divergence and beam size. Known methods for determining the beam diameter and determining the beam divergence include, in particular, the methods mentioned in ISO 11146. The use of wavefront sensors such as a Hartmann or Shack-Hartmann sensor is also possible. Different methods can also be combined with one another. In general, methods are preferable that enable a rapid characterization of the beam properties at the reference plane and thus display the effect of the adjustment of the variable astigmatic beam adapter directly in real time.

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 L3 der Strahladaptionsvorrichtung 21 der 3) charakterisiert, so hat diese letzte Linse keinen, bzw. nur einen sehr geringen Einfluss auf die Strahlgröße an ebendieser Bezugsebene, sondern nur bzw. vornehmlich einen Einfluss auf die Divergenz des Strahls. Die vorangehenden Justagefreiheitsgrade des Strahladapters, beispielsweise die der Linsenkombination 39, können näherungsweise genutzt werden, um die Ausgangsgröße des Strahls an der Bezugsebene einzustellen, ohne auf die Ausgangsdivergenz zu achten. Mit den Freiheitsgraden der letzten Linse kann dann die Ausgansdivergenz eingestellt werden, näherungsweise ohne die Größe zu beeinflussen. Soweit diese Aussagen nur näherungsweise gelten, kann ein schnell konvergierendes iteratives Verfahren zur Justage der Freiheitsgrade angewandt werden, welches anders als bei frei gewählten Bezugsebenen sicher und schnell konvergiert. Dies funktioniert auch dann, wenn sich die Bezugsebene nicht unmittelbar auf der letzten Linse, sondern in einem kleinen Abstand (im Vergleich zum Quotienten Strahldurchmesser und Divergenz) strahlabwärts befindet.The beam analysis can, however, have a simplifying effect on the adjustment process if the reference plane of the analysis is located directly on the last lens. Namely, if the beam is related to the position on the last lens (e.g. the converging lens L3 the beam adapter 21 the 3 ), this last lens has no or only a very slight influence on the beam size at this same reference plane, but only or primarily an influence on the divergence of the beam. The preceding degrees of freedom of adjustment of the beam adapter, for example that of the lens combination 39 , can be used approximately to adjust the output size of the beam at the reference plane without paying attention to the output divergence. The output divergence can then be adjusted with the degrees of freedom of the last lens, approximately without influencing the size. Insofar as these statements only apply approximately, a rapidly converging iterative method for adjusting the degrees of freedom can be used, which, unlike in the case of freely selected reference planes, converges reliably and quickly. This also works if the reference plane is not located directly on the last lens, but at a small distance (compared to the quotient of the beam diameter and divergence) down the beam.

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.

4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Strahlanalyseeinheit 41 zur Charakterisierung eines Ausgangsstrahls 21A der Strahladaptionsvorrichtung 21, welche insbesondere zur Justage der Strahladaptionsvorrichtung verwendet werden kann. 4th shows an exemplary embodiment of a beam analysis unit 41 to characterize an output beam 21A the beam adapter 21 which can be used in particular to adjust the beam adaptation device.

Ein Teil 43 des Ausgangsstrahls 21A (beispielsweise Lecklicht durch einen als Abschwächer fungierenden Umlenkspiegel 45) wird für die Strahlanalyse genutzt und durch eine Analyselinse AL gelenkt. Nach der Analyselinse AL wird der Teil 43 des Strahls z.B. mit Strahlteilern 44 weiter in Teilstrahlen aufgeteilt.A part 43 of the output beam 21A (For example, light leakage through a deflecting mirror that functions as an attenuator 45 ) is used for beam analysis and guided through an analysis lens AL. After the analysis lens AL, the part 43 of the beam, for example with beam splitters 44 further divided into partial beams.

Ein erster Teilstrahl 43A wird genutzt, um eine Abbildung eines Strahlprofils P1 am Ausgang der Strahladaptionsvorrichtung 21 (beispielsweise basierend auf einer Objektebene O, die an der Stelle der zweiten Sammellinse L3 gewählt wird) auf eine Bildebene E der Kamera K1 durch die Analyselinse AL zu erzeugen. Das Bild des Strahlprofils P1 auf der Kamera K1 ist nur von der Größe des Ausgangsstrahls 21A am Ausgang der Strahladaptionsvorrichtung 21 (z.B. an der zweiten Sammellinse L3) abhängig und nicht von der Divergenz. Die Wirkung der zweiten Sammellinse L3 auf die Divergenz wird so nicht detektiert. Damit können die ersten beiden Linsen L1, L2 der Strahladaptionsvorrichtung 21 genutzt werden, um die Strahlgröße beispielsweise mithilfe einer Darstellung des Strahlprofils P1 auf einem Strahlprofil-Monitor 47 einzustellen.A first partial beam 43A is used to create an image of a beam profile P1 at the exit of the beam adaptation device 21 (for example based on an object plane O, which is at the location of the second converging lens L3 is selected) on an image plane E of the camera K1 through the analysis lens AL. The image of the beam profile P1 on the camera K1 is only on the size of the output beam 21A at the exit of the beam adaptation device 21 (e.g. on the second converging lens L3 ) dependent and not on the divergence. The effect of the second converging lens L3 the divergence is not detected in this way. This allows the first two lenses L1 , L2 the beam adapter 21 can be used to determine the beam size, for example using a Representation of the beam profile P1 on a beam profile monitor 47 to adjust.

Ein weiterer Teilstrahl 43B wird genutzt, um ein Fernfeldbild des Ausgangsstrahls auf einer Kamera K2 zu erzeugen, d.h. die Kamera K2 befindet sich z.B. genau in der Brennebene der Analyselinse AL (aber nicht notwendigerweise im Fokus des Strahls). Das von der Kamera K2 aufgenommene Bild des Strahlprofils P2 ist nur von der Divergenz des Ausgangsstrahls 21A abhängig, nicht von der Größe des Ausgangsstrahls 21A an irgendeiner realen endlichen Position. Daher kann das Bild der Kamera K2 genutzt werden, um die Divergenz des Ausgangsstrahls 21A über die Position und/oder den Winkel der zweiten Sammellinse L3 einzustellen.Another partial beam 43B is used to take a far field image of the output beam on a camera K2 to generate, ie the camera K2 is located, for example, exactly in the focal plane of the analysis lens AL (but not necessarily in the focus of the beam). That from the camera K2 recorded image of the beam profile P2 is only from the divergence of the output beam 21A depends, not on the size of the output beam 21A at any real finite position. Hence the picture of the camera K2 used to reduce the divergence of the output beam 21A via the position and / or the angle of the second converging lens L3 to adjust.

In einigen Parameterbereichen kann die zuvor beschriebene Methode nicht eindeutig sein, beispielsweise wenn der Ausgangsstrahl 21A vor der Analyselinse AL nicht kollimiert ist, denn allgemein kann der Ausgangsstrahl 21A nach der Strahladaptionsvorrichtung 21 konvergent oder divergent sein. In einigen Ausführungsformen der Analyseeinheit 41 kann ein weiterer Teilstrahl 43C mit einer weiteren Kamera K3 hinsichtlich einer geeigneten Position entlang der Propagationsrichtung vermessen werden, um eine eindeutige Charakterisierung des Strahls zu ermöglichen. Es können noch weitere Beobachtungspunkte im Strahl sinnvoll sein, um in der Praxis die Anfälligkeit des Verfahrens gegen Messfehler zu reduzieren. So können optional weitere Detektionseinheiten vor der Kamera K2, zwischen der Kamera K1 und der Kamera K2 oder hinter der Kamera Kl zur Aufnahme zusätzlicher Feldebenen vorgesehen werden.In some parameter areas, the method described above may not be unique, for example if the output beam 21A is not collimated in front of the analysis lens AL, because generally the output beam 21A after the beam adaptation device 21 be convergent or divergent. In some embodiments the analysis unit 41 can be another partial beam 43C with another camera K3 be measured with regard to a suitable position along the direction of propagation in order to enable an unambiguous characterization of the beam. Further observation points in the beam can be useful in order to reduce the susceptibility of the method to measurement errors in practice. This means that additional detection units can optionally be installed in front of the camera K2 , between the camera K1 and the camera K2 or be provided behind the camera Kl for recording additional field levels.

In einigen Ausführungsformen der Analyseeinheit 41 können alle oder ein Teil der zu analysierenden Strahlpositionen oder Bilder auf einen einzigen Kamerachip projiziert werden und/oder auf dem Strahlprofil-Monitor 47 gemeinsam dargestellt werden und/oder mit einer entsprechenden computerbasierten Analyse ausgewertet werden. Ferner kann anstelle der Strahlteilung nach der Analyselinse AL bereits der (abgeschwächte) Ausgangsstrahl 21A geteilt werden, um diese Teile mit mehreren angepassten Linsen oder mit anderen Messmitteln zu analysieren.In some embodiments the analysis unit 41 all or part of the beam positions or images to be analyzed can be projected onto a single camera chip and / or onto the beam profile monitor 47 can be presented together and / or evaluated with a corresponding computer-based analysis. Furthermore, instead of the beam splitting after the analysis lens AL, the (attenuated) output beam can already be used 21A divided in order to analyze these parts with several adapted lenses or with other measuring means.

Ferner kann beispielsweise ein Shack-Hartmann Sensor am Strahlausgang, z.B. hinter der letzten Linse L3 verwendet werden, um sowohl Profil als auch Divergenz des Ausgangsstrahls 21A an dieser Stelle zu ermitteln. Auch dabei kann eine Abbildung einer Bezugsebene auf den Sensor erfolgen, wobei hier der Einsatz eine Relay-Optik (z.B. ein f-2f-f-System), welche von sich aus keine Wellenfrontkrümmung einfügt, sinnvoll sein kann.Furthermore, for example, a Shack-Hartmann sensor can be installed at the beam exit, for example behind the last lens L3 used to measure both profile and divergence of the output beam 21A to be determined at this point. Here, too, a reference plane can be mapped onto the sensor, whereby the use of relay optics (eg an f-2f-f system), which by itself does not insert any wavefront curvature, can be useful.

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 5 bis 7 erläutert wird.The beam adaptation device described here can be used to provide one or more output beams for the frequency conversion that compensate for the aberration-causing property of the conversion crystal, for example when generating the third harmonic (THG) in the UV, or when generating UV radiation through the 2nd . or 4th harmonic (SHG, 4thHG), generally when generating higher harmonics. The precompensation with the beam adaptation device relates in particular to a non-rotationally symmetrical beam shape on the Entry into the conversion crystal, as described below in connection with the 5 to 7th is explained.

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. 5 illustriert dies für den Aufbau einer Frequenzkonversionseinheit mit einem konventionellen Strahlaufweiter (siehe z.B. den Strahlaufweiter 1aus 1), der einen Eingangslaserstrahl mit einem symmetrischen Strahlprofil 1A in ein entsprechend größeres symmetrisches Strahlprofil 1A' überführt. Durch die Frequenzkonversion wird in einer Anordnung von einem oder mehreren nichtlinearen Kristallen 55 z.B. UV-Strahlung in einem Bereich erzeugt, der in Richtung 61 beispielsweise durch den Walk-off verlängert ist und entsprechend ein nicht rotationssymmetrisches, unrundes Strahlprofil 1A'' aufweist. Beispiele für Frequenzkonversionskristalle umfassen z.B. Beta-Bariumborat (beta-BaB2O4, BBO), Lithiumtriborat (LiB3O5, LBO), Cäsium-Lithiumborate (CsLiB6O10, CLBO) , Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4, KDP).Advantages from a pre-compensation of aberrations impressed downstream with the help of the beam adaptation device can also result for lasers with a longer wavelength, e.g. infrared (IR) lasers, if a subsequent compensation or avoidance of the aberration, e.g. due to poor accessibility, e.g. through piping or encapsulation at these points, is not possible or not possible. In a conversion crystal, for example, the already mentioned walk-off effect can be present, which means that one of the wavelengths required for the non-linear process does not propagate in exactly the same direction as the other. This can result in an out-of-round frequency-converted beam. 5 illustrates this for the construction of a frequency conversion unit with a conventional beam expander (see, for example, the beam expander 1aus 1 ), which has an input laser beam with a symmetrical beam profile 1A converted into a correspondingly larger symmetrical beam profile 1A '. The frequency conversion results in an arrangement of one or more non-linear crystals 55 Eg UV radiation is generated in an area that is in the direction of 61 is extended, for example, by the walk-off and accordingly has a non-rotationally symmetrical, non-circular beam profile 1A ″. Examples of frequency conversion crystals include beta barium borate (beta-BaB 2 O 4 , BBO), lithium triborate (LiB 3 O 5 , LBO), cesium lithium borates (CsLiB 6 O 10 , CLBO), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 , KDP) .

Bei der Verwendung einer Strahladaptionsvorrichtung 21 zur variablen Astigmatismus-Einstellung kann diese Unrundheit durch eine entsprechend gegenläufige Unrundheit im oder nahe am Kristall des der Frequenzkonversion zugrunde liegenden Strahls (z.B. des Ausgangsstrahls der Strahladaptionsvorrichtung) kompensiert werden.When using a beam adapter 21 For the variable astigmatism setting, this ovality can be compensated for by a corresponding counter-rotating ovality in or near the crystal of the beam on which the frequency conversion is based (for example the output beam of the beam adaptation device).

6 zeigt eine Frequenzkonversionseinheit 51 mit einer Strahlvorkompensationsvorrichtung 53 und einer Anordnung 54 von einem oder mehreren Konversionskristallen 55. 6 zeigt zusätzlich drei Strahlprofile, wie sie sich auf der Strahlachse ausbilden. 6th shows a frequency conversion unit 51 with a beam precompensation device 53 and an arrangement 54 of one or more conversion crystals 55 . 6th additionally shows three beam profiles as they develop on the beam axis.

Die Frequenzkonversion geht von einer Strahlquelle 52 aus. Diese ist beispielsweise ein Yb:YAG-, Yb:Glass-, Nd:YAG-, Nd:YVO-, Nd:Glass- oder Nd:YLF-Laser oder ein anderer Festkörper oder Faserlaser mit z.B. den laseraktiven Ionen Ytterbium oder Neodym in einem Hostmaterial. Die Strahlquelle 52 kann ferner ein Festkörper- oder Faserlaser mit anderen laseraktiven Materialien oder anderen Hostmaterialien oder ein Diodenlaser oder ein Gaslaser sein. Allgemein kann die Strahlquelle 52 eine Laserstrahlquelle sein, die eine elektromagnetische Strahlung 52A, d.h. Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von z.B. 500 nm bis z.B. 1600 nm, insbesondere von 800 nm bis 1100 nm, weiter insbesondere die Wellenlängen von 1030 nm, 1047 nm, 1051 nm, 1064 nm, 1070 nm, und/oder 1080 nm, emittiert und als Eingangsstrahlung für die Strahlvorkompensationsvorrichtung 53, insbesondere für deren Strahladaptionsvorrichtung 21 zur variablen Astigmatismus-Einstellung, bereitstellt. 6 zeigt wieder ein beispielhaftes symmetrisches Strahlprofil 1A dieser primären Strahlung.The frequency conversion is based on a beam source 52 out. This is, for example, a Yb: YAG, Yb: Glass, Nd: YAG, Nd: YVO, Nd: Glass or Nd: YLF laser or another solid-state or fiber laser with, for example, the laser-active ions ytterbium or neodymium in one Host material. The beam source 52 can furthermore be a solid-state or fiber laser with other laser-active materials or other host materials or a diode laser or a gas laser. In general, the beam source 52 be a laser beam source that emits electromagnetic radiation 52A , ie laser radiation in the wavelength range from eg 500 nm to eg 1600 nm, in particular from 800 nm to 1100 nm, further in particular the wavelengths from 1030 nm, 1047 nm, 1051 nm, 1064 nm, 1070 nm, and / or 1080 nm, emitted and as input radiation for the beam precompensation device 53 , especially for their beam adaptation device 21 for variable astigmatism adjustment. 6th again shows an exemplary symmetrical beam profile 1A this primary radiation.

Die Strahladaptionsvorrichtung 21 ist derart eingestellt, dass ein Ausgangsstrahl 53A der Strahlvorkompensationsvorrichtung 53 vorbestimmte Strahlparameter aufweist, die im oder nahe an einem der Frequenzkonversionskristalle 55 zu einer einseitig vergrößerten Strahlform führen. Ein entsprechend unrundes (z.B. elliptisches) Strahlprofil 53' ist in 6 beispielhaft am Ausgang der Strahladaptionsvorrichtung 21 angedeutet.The beam adaptation device 21 is set so that an output beam 53A the beam precompensation device 53 having predetermined beam parameters in or close to one of the frequency conversion crystals 55 lead to a beam shape enlarged on one side. A correspondingly out-of-round (eg elliptical) beam profile 53 ' is in 6th for example at the exit of the beam adaptation device 21 indicated.

7 verdeutlicht eine beispielhafte Einstellung der Strahladaptionsvorrichtung 21 in zwei orthogonalen Ebenen, der x-z-(horizontalen) Ebene und der y-z-(vertikalen) Ebene sowie eine beispielhafte Orientierung eines Konversionskristalls 55, die zu einem Walk-Off in der x-z-Ebene in „-x‟-Richtung für die dem Walk-off unterliegende Wellenlänge führt. 7th illustrates an exemplary setting of the beam adaptation device 21 in two orthogonal planes, the xz (horizontal) plane and the yz (vertical) plane as well as an exemplary orientation of a conversion crystal 55 which leads to a walk-off in the xz plane in the "-x" direction for the wavelength underlying the walk-off.

In 7 ist der Strahlengang der unbeeinflussten Wellenlänge im Konversionskristall 55 mit einem durchgezogenen Linienpaar 57A und der Strahlengang der beeinflussten Wellenlänge mit einem gestrichelten Linienpaar 57B eingezeichnet. Letzterer läuft in der horizontalen Ebene unter einem Walk-off-Winkel zur Strahlachse 25. In der y-z-Richtung liegt kein Walk-off-Effekt vor und die Strahlengänge (gestrichelten-durchgezogenen Linienpaare 57A, 57B) verlaufen entsprechend in der y-z-Ebene parallel.In 7th is the beam path of the unaffected wavelength in the conversion crystal 55 with a pair of solid lines 57A and the beam path of the affected wavelength with a dashed pair of lines 57B drawn. The latter runs in the horizontal plane at a walk-off angle to the beam axis 25th . Lies in the yz direction no walk-off effect in front of and the beam paths (dashed-solid line pairs 57A , 57B) accordingly run parallel in the yz plane.

Ohne entsprechende Strahladaptionsvorrichtung kann dies, wie in 5 verdeutlicht, zu einer Verbreiterung der erzeugten UV-Strahlung in der horizontalen Ebene führen. Dies ist in 7 durch unterschiedlich lange, die Strahldurchmesser andeutende, gepunktete Pfeile 59A, 59B verdeutlicht (siehe hierzu auch die mit einer punktierten und einer durchgezogenen Linie verdeutlichte frequenzkonvertierte Strahlung in 5).Without a corresponding beam adaptation device, this can, as in 5 made clear, lead to a broadening of the UV radiation generated in the horizontal plane. This is in 7th by dotted arrows of different lengths indicating the beam diameter 59A , 59B (see also the frequency-converted radiation in 5 ).

Wie in 7 ferner gezeigt wird, passt die Strahladaptionsvorrichtung 21 jedoch die Strahlparameter des Ausgangsstrahls 53A derart an, dass bei im Wesentlichen z.B. gleicher Divergenz der Ausgangsstrahl 53A in y-Richtung größer ist als in x-Richtung. Die Anpassung der Strahlgröße kann einen zumindest teilweisen Ausgleich der unterschiedlichen Strahldurchmesser in den beiden Richtungen der erzeugten UV-Strahlung 54A bewirken. Dies ist in 7 durch gleichlange, die Strahldurchmesser in den Ebenden andeutende, durchgezogene Pfeile 60 und in 6 durch ein rundes Strahlprofil 54' nach der Frequenzkonversionseinheit 51 verdeutlicht.As in 7th Also shown, the beam adapter fits 21 however, the beam parameters of the output beam 53A in such a way that with essentially the same divergence, for example, the output beam 53A is greater in the y direction than in the x direction. The adjustment of the beam size can at least partially compensate for the different beam diameters in the two directions of the UV radiation generated 54A cause. This is in 7th by solid arrows of the same length, indicating the beam diameter in the planes 60 and in 6th through a round beam profile 54 ' after the frequency conversion unit 51 made clear.

Mit anderen Worten legt das hierin vorgeschlagene Verfahren zur Frequenzkonversion den Ausgangsstrahl 53A mit einem variablen astigmatischen Strahladapter in horizontaler Richtung (d.h. in der Walk-off-Richtung) kleiner aus als in vertikaler Richtung, so dass der Walk-off-Effekt vorkompensiert wird. Man erhält dann nach der Konversion einen im Wesentlichen runden frequenzkonvertierten Strahl 54A.In other words, the method proposed herein for frequency conversion sets the output beam 53A with a variable astigmatic beam adapter in the horizontal direction (ie in the walk-off direction) is smaller than in the vertical direction, so that the walk-off effect is pre-compensated. An essentially round, frequency-converted beam is then obtained after the conversion 54A .

Für die Vorkompensation kann, wie beispielhaft in 7 gezeigt wird, die erste Sammellinse L1 um die vertikale Achse und die zweite Sammellinse L3 um die horizontale Achse verkippt sein. Die Abstände der Linsen L1, L2 und L3 wurden ferner so anpasst, dass ein Ausgangsstrahl 53A mit der gewünschten Divergenz in den entsprechenden Ebenen geformt wird.As an example in 7th shown is the first converging lens L1 around the vertical axis and the second converging lens L3 be tilted about the horizontal axis. The distances between the lenses L1 , L2 and L3 have also been adjusted to produce an output beam 53A is formed with the desired divergence in the corresponding planes.

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-round source 52 A) cannot precisely predict whether a fine adjustment of the precompensation can be carried out in the respective frequency conversion mechanism.

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 6 gezeigten Anordnung einer Strahlvorkompensationsvorrichtung vor der Anordnung von Konversionskristallen kann ergänzend oder alternativ eine weitere Strahlvorkompensationsvorrichtung vor einem oder vor mehreren speziellen oder vor jedem einzelnen Konversionskristall bereitgestellt werden.In addition to the exemplary in 6th In addition or as an alternative, a further beam precompensation device can be provided in front of one or more special conversion crystals or in front of each individual conversion crystal.

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).

8 zeigt allgemein eine Strahladaptionsvorrichtung 71, die in einem optischen System 73 z.B. zur Kompensation von Unterschieden von austauschbaren optischen Komponenten 75 (Laserquellen, Linsen, Spiegel, Lasermedien, Pumpquellen) bzw. zur Einstellung von bestimmten anwendungsspezifischen Ausgangstrahlparametern verwendet wird. Beispielsweise erlaubt eine Steuerungseinheit 77 die Einstellung von Abstandsparametern und/oder Winkelparametern bzgl. der Linsen der Strahladaptionsvorrichtung 71. 8th Figure 11 generally shows a beam adapter device 71 that are in an optical system 73 eg to compensate for differences in interchangeable optical components 75 (Laser sources, lenses, mirrors, laser media, pump sources) or to set certain application-specific output beam parameters. For example, a control unit allows 77 the setting of distance parameters and / or angle parameters with respect to the lenses of the beam adaptation device 71 .

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.

Claims (18)

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) mit einer 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, und einer 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, und einem optischen Ausgangselement mit einer 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) a 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) in any direction at an adjustable angle can be tilted aligned, and a divergence adjustment lens unit (31) with a second lens (L2) for adjusting the divergence, wherein the distance (d12) between the second lens (L2) and the first lens (L1) of the first astigmatism lens unit (27) along the beam axis (25 ) is adjustable, and an optical output element with a second astigmatism lens unit (29) with at least one third lens (L3) which can be tilted with respect to the beam axis (25) for astigmatism adjustment, the third lens (L3) being tiltable in any direction by an adjustable angle and the distance (d23) is adjustable between the second lens (L2) of the divergence adjustment lens unit (31) and the third lens (L3) along the beam axis (25). Strahladaptionsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei die erste Linse (L1) und/oder die dritte Linse (L3) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Sammellinse ist und/oder die zweite Linse (L2) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Streulinse ist.Beam adaptation device (21) according to Claim 1 , wherein the first lens (L1) and / or the third lens (L3) is a, in particular a rotationally symmetrical, converging lens and / or the second lens (L2) is a, in particular rotationally symmetrical, divergent lens. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei die erste Linse (L1) und/oder die dritte Linse (L3) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Streulinse ist und/oder die zweite Linse (L2) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Sammellinse ist.Beam adaptation device (21) according to Claim 1 , wherein the first lens (L1) and / or the third lens (L3) is a, in particular rotationally symmetrical, divergent lens and / or the second lens (L2) is a, in particular rotationally symmetrical, converging lens. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei die erste Linse (L1) und/oder die zweite Linse (L2) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Streulinse ist und/oder die dritte Linse (L3) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Sammellinse ist.Beam adaptation device (21) according to Claim 1 , wherein the first lens (L1) and / or the second lens (L2) is a, in particular rotationally symmetrical, divergent lens and / or the third lens (L3) is a, in particular rotationally symmetrical, converging lens. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Linse (L1), die zweite Linse (L2) und/oder die dritte Linse (L3) rotationssymmetrische Linsen sind und/oder wobei die erste Linse (L1) und/oder die dritte Linse (L3) mindestens in einer Richtung orthogonal zur Strahlachse (25) verschiebbar sind.Beam adaptation device (21) according to one of the preceding claims, wherein the first lens (L1), the second lens (L2) and / or the third lens (L3) are rotationally symmetrical lenses and / or wherein the first lens (L1) and / or the third lens (L3) can be displaced at least in a direction orthogonal to the beam axis (25). Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Astigmatismus-Linseneinheit (27), die Divergenzanpassungslinseneinheit (31) und/oder die zweite Astigmatismus-Linseneinheit (29) derart ausgebildet sind, dass sich durch die Verkippbarkeit der ersten Linse (L1) und/oder der dritten Linse (L3) und durch die Verschiebbarkeit der zweiten Linse (L2) und/oder der dritten Linse (L3) durch Verkippen und Verschieben der entsprechenden Linsen die Größe der elektromagnetischen Strahlung an einer Bezugsebene nach der Strahladaptionsvorrichtung (21) und die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung in jeweils zwei unabhängigen Richtungen einstellen lassen.Beam adaptation device (21) according to one of the preceding claims, wherein the first astigmatism lens unit (27), the divergence adjustment lens unit (31) and / or the second astigmatism lens unit (29) are designed in such a way that due to the tiltability of the first lens (L1) and / or the third lens (L3) and the displaceability of the second lens (L2) and / or the third lens (L3) by tilting and moving the corresponding lenses, the size of the electromagnetic Allow radiation to be set at a reference plane after the beam adaptation device (21) and the divergence of the electromagnetic radiation in two independent directions. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer entlang der Strahlachse (25) ausgebildeten Justageschiene (23) zur Positionierung der ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27), der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29) und/oder der Divergenzanpassungslinseneinheit (31) entlang der Strahlachse (25) und/oder mit mindestens einer Drehhalterung (35, 37) zum Halten der ersten Linse (L1) oder der dritten Linse (L3), wobei die mindestens eine Drehhalterung (35, 37) mindestens eine Einstellvorrichtung zur Einstellung mindestens eines Kippwinkels (φ, φ1) der Linse (L1, L3) um mindestens eine Kippachse (35A, 37A) aufweist, und insbesondere eine Kippachse (35A, 37A) orthogonal zur Strahlachse (25) verläuft.Beam adaptation device (21) according to one of the preceding claims, further comprising an adjustment rail (23) formed along the beam axis (25) for positioning the first astigmatism lens unit (27), the second astigmatism lens unit (29) and / or the divergence adjustment lens unit (31) along the beam axis (25) and / or with at least one rotating bracket (35, 37) for holding the first lens (L1) or the third lens (L3), the at least one rotating bracket (35, 37) having at least one adjusting device for adjusting at least one tilt angle (φ, φ1) of the lens (L1, L3) has at least one tilt axis (35A, 37A), and in particular a tilt axis (35A, 37A) runs orthogonally to the beam axis (25). Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Strahlanalyseeinheit (41) umfassend eine erste Detektionseinheit (K1) zur Aufnahme eines Strahlprofils (P1) der elektromagnetischen Strahlung in einer Bildebene (E), eine Analyselinse (AL), die das Strahlprofil (P1) im Bereich der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29), insbesondere der dritten Linse (L3) als Objektebene (O), auf die Bildebene (E) abbildet, und mindestens eine Fernfelddetektionseinheit (K2) zur Aufnahme eines Strahlprofils (P2) der elektromagnetischen Strahlung im Fernfeld nach der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29), wobei insbesondere die Strahlanalyseeinheit (41) zur Analyse eines Analyseanteils (43) der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist.Beam adaptation device (21) according to one of the preceding claims, further comprising a beam analysis unit (41) a first detection unit (K1) for recording a beam profile (P1) of the electromagnetic radiation in an image plane (E), an analysis lens (AL) which images the beam profile (P1) in the region of the second astigmatism lens unit (29), in particular the third lens (L3) as the object plane (O), onto the image plane (E), and at least one far field detection unit (K2) for recording a beam profile (P2) of the electromagnetic radiation in the far field after the second astigmatism lens unit (29), wherein in particular the beam analysis unit (41) is designed to analyze an analysis portion (43) of the electromagnetic radiation. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Steuerungseinheit (77) zur Ansteuerung der Verkippung der ersten Linse (L1) und/oder der dritten Linse (L3) und/oder zur Ansteuerung mindestens eines der Abstände (d12, d23) zwischen den Linsen (L1, L2, L3), insbesondere jeweils in Abhängigkeit von den mit der Strahlanalyseeinheit (41) detektierten Strahlprofilen (P1, P2, P3, ...) und insbesondere vorgegebenen Zielstrahlprofilen und/oder auf den Strahl zurückgehenden Messparametern.Beam adaptation device (21) according to one of the preceding claims, further with a control unit (77) for controlling the tilting of the first lens (L1) and / or the third lens (L3) and / or for controlling at least one of the distances (d12, d23) between the lenses (L1, L2, L3), in particular depending on the beam profiles (P1, P2, P3, ...) detected with the beam analysis unit (41) and in particular predetermined target beam profiles and / or measurement parameters related to the beam. Frequenzkonversionseinheit (51) mit einer Strahlvorkompensationsvorrichtung (53) mit einer Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Formen der von einer Strahlquelle (52) bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung (52A) in einen Ausgangsstrahl (53A) mit vorbestimmten Strahlparametern und einer Einrichtung zur Frequenzkonversion mit mindestens einem Frequenzkonversionskristall (55) zur Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahls (54A) mit dem Ausgangsstrahl (53A), wobei die Einrichtung zur Frequenzkonversion derart ausgebildet ist, dass der frequenzkonvertierte Strahl (54A) bezüglich Strahlform und/oder Divergenz des Ausgangsstrahls (53A) nicht rotationssymmetrisch verformt erzeugt wird.Frequency conversion unit (51) with a beam precompensation device (53) with a beam adaptation device (21) according to one of the Claims 1 to 9 for shaping the electromagnetic radiation (52A) provided by a beam source (52) into an output beam (53A) with predetermined beam parameters and a device for frequency conversion with at least one frequency conversion crystal (55) for generating a frequency-converted beam (54A) with the output beam (53A) , the device for frequency conversion being designed in such a way that the frequency-converted beam (54A) is not generated deformed rotationally symmetrically with respect to beam shape and / or divergence of the output beam (53A). Frequenzkonversionseinheit (51) nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zur Frequenzkonversion dazu ausgebildet ist, den frequenzkonvertierten Strahl (54A) durch einen eine nicht rotationssymmetrische Strahlform bewirkenden Frequenzkonversionsmechanismus zu erzeugen, und/oder die vorbestimmten Strahlparameter hinsichtlich einer nicht rotationssymmetrischen Verformung des Strahls und insbesondere zur Ausbildung einer asymmetrischen Strahlform (53') des Ausgangsstrahls (53A) im Frequenzkonversionskristall (55) vorbestimmt sind und/oder die Einrichtung zur Frequenzkonversion die Asymmetrie im frequenzkonvertierten Strahl (54) hinsichtlich Strahlform und/oder Divergenz zumindest teilweise kompensiert und/oder die Einrichtung zur Frequenzkonversion einen Frequenzkonversionsmechanismus umfasst, der für entsprechend vorbestimmte Strahlparameter des Ausgangsstrahls (53A) einen hinsichtlich Strahlform und/oder Divergenz rotationssymmetrischen, frequenzkonvertierten Strahl (54) erzeugt.Frequency conversion unit (51) according to Claim 10 , wherein the device for frequency conversion is designed to generate the frequency-converted beam (54A) by a frequency conversion mechanism that effects a non-rotationally symmetrical beam shape, and / or the predetermined beam parameters with regard to a non-rotationally symmetrical deformation of the beam and in particular to form an asymmetrical beam shape (53 ') ) of the output beam (53A) are predetermined in the frequency conversion crystal (55) and / or the device for frequency conversion at least partially compensates for the asymmetry in the frequency-converted beam (54) in terms of beam shape and / or divergence and / or the device for frequency conversion includes a frequency conversion mechanism that is used for correspondingly predetermined beam parameters of the output beam (53A) generate a frequency-converted beam (54) which is rotationally symmetrical with regard to beam shape and / or divergence. Frequenzkonversionseinheit (51) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Frequenzkonversionskristall (55) durch eine bei der Frequenzkonversion vorliegende Walk-off-Richtung (61) bezüglich der Propagationsrichtung des Ausgangsstrahls (53A) charakterisiert ist, der Frequenzkonversionsmechanismus zu einer in Walk-off-Richtung (61) vergrößerten Strahlform des frequenzkonvertierten Strahls (54A) führt und die Strahlvorkompensationsvorrichtung (53) derartige vorbestimmte Strahlparameter des Ausgangsstrahls (53A) bereitstellt, dass die Strahlform des Ausgangsstrahls (53A) im oder nahe am Frequenzkonversionskristall senkrecht zur Walk-off-Richtung und zur Propagationsrichtung größer ist als in der Walk-off-Richtung.Frequency conversion unit (51) according to Claim 10 or 11 , wherein the frequency conversion crystal (55) is characterized by a walk-off direction (61) present during the frequency conversion with respect to the direction of propagation of the output beam (53A), the frequency conversion mechanism to a beam shape of the frequency-converted beam enlarged in the walk-off direction (61) (54A) and the beam precompensation device (53) provides such predetermined beam parameters of the output beam (53A) that the beam shape of the output beam (53A) in or near the frequency conversion crystal perpendicular to the walk-off direction and to the direction of propagation is greater than in the walk- off direction. Optisches System (73) mit einer Mehrzahl von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System (73) beeinflussenden optischen Komponenten (75) und einer Strahladaptionsvorrichtung (71) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kompensation von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System (73), insbesondere nach einem Einstellen und/oder Austauschen einer der optischen Komponenten (75) und/oder zur Einstellung von bestimmten Parametern eines mit dem optischen System (73) erzeugten Strahls.Optical system (73) with a plurality of beam shape and / or divergence in the optical system (73) influencing optical components (75) and a beam adaptation device (71) according to one of the Claims 1 to 9 to compensate for beam shape and / or divergence in the optical system (73), in particular after setting and / or replacing one of the optical components (75) and / or for setting certain parameters of a beam generated with the optical system (73). Optisches System (73) nach Anspruch 12, ferner mit einer Steuerungseinheit (77) zur Einstellung eines Abstandsparameters und/oder eines Winkelparameters bzgl. Linsen (L1, L2, L3) der Strahladaptionsvorrichtung (71).Optical system (73) according to Claim 12 , furthermore with a control unit (77) for setting a distance parameter and / or an angle parameter with respect to lenses (L1, L2, L3) of the beam adaptation device (71). Verfahren zur Frequenzkonversion mit den Schritten Bereitstellen einer sich entlang einer Propagationsrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung (52A), Anpassen der elektromagnetischen Strahlung (52A) mit einer Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz zur Formung eines Ausgangsstrahls (53A) für eine Frequenzkonversion in mindestens einem Frequenzkonversionskristall (55) und Erzeugen eines frequenzkonvertierten Strahls (54A) im Frequenzkonversionskristall (55), wobei die Anpassung hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz des Ausgangsstrahls (53A) zu gewünschten Strahlparametern des frequenzkonvertierten Strahls (54A) führt.Method for frequency conversion with the steps of providing electromagnetic radiation (52A) propagating along a direction of propagation, adapting the electromagnetic radiation (52A) with a beam adaptation device (21) according to one of the Claims 1 to 9 in terms of beam size and divergence for forming an output beam (53A) for frequency conversion in at least one frequency conversion crystal (55) and generating a frequency-converted beam (54A) in the frequency conversion crystal (55), with the adjustment in terms of beam size and divergence of the output beam (53A) to desired beam parameters of the frequency converted beam (54A). Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Anpassung zu einer Rotationssymmetrie des frequenzkonvertierten Strahls (54A) führt.Procedure according to Claim 15 wherein the adaptation results in a rotational symmetry of the frequency-converted beam (54A). Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die elektromagnetische Strahlung (52A) Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 500 nm bis 1600 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1100 nm, ist und der frequenzkonvertierte Strahl (54A) im Wellenlängenbereich von 250 nm bis 600 nm liegt, und insbesondere harmonische Strahlung zweiter, dritter oder höherer Ordnung der elektromagnetischen Strahlung (52A) ist.Procedure according to Claim 15 or 16 , the electromagnetic radiation (52A) being laser radiation in the wavelength range from 500 nm to 1600 nm, in particular in the wavelength range from 800 nm to 1100 nm, and the frequency-converted beam (54A) being in the wavelength range from 250 nm to 600 nm, and in particular harmonic radiation second, third or higher order of the electromagnetic radiation (52A). Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Frequenzkonversion durch eine bei der Frequenzkonversion vorliegende Walk-off-Richtung (61) bezüglich der Propagationsrichtung des Ausgangsstrahls (53A) charakterisiert ist und die Anpassung des Ausgangsstrahls bewirkt, dass die Strahlform des Ausgangsstrahls (53A) im oder nahe am Frequenzkonversionskristall senkrecht zur Walk-off-Richtung und zur Propagationsrichtung größer ist als in der Walk-off-Richtung.Method according to one of the Claims 15 to 17th , wherein the frequency conversion is characterized by a walk-off direction (61) present during the frequency conversion with respect to the direction of propagation of the output beam (53A) and the adaptation of the output beam causes the beam shape of the output beam (53A) in or close to the frequency conversion crystal perpendicular to Walk-off direction and the direction of propagation is greater than in the walk-off direction.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210119404A1 (en) * 2017-11-09 2021-04-22 Compact Laser Solutions Gmbh Device for adjusting an optical component

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018211409B4 (en) * 2018-07-10 2021-02-18 Laserline GmbH Beam-shaping laser optics and laser system
FR3111437A1 (en) * 2020-06-10 2021-12-17 Bertin Technologies Zipper optical system
DE102021125623B3 (en) 2021-10-04 2023-03-02 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Device for generating a defined laser line on a working plane

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5745296A (en) * 1995-05-17 1998-04-28 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Multibeam recording device
DE60120905T2 (en) * 2001-02-23 2007-02-15 3D Systems, Inc., Valencia Optical system with electronic dot size control and focus control
US20120032065A1 (en) * 2010-08-08 2012-02-09 Kla-Tencor Corporation Dynamic wavefront control of a frequency converted laser system

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6982999B1 (en) 2003-01-21 2006-01-03 Picarro,Inc. Multipass second harmonic generation
US20090257118A1 (en) 2008-04-15 2009-10-15 Jean-Marc Heritier Beam-shaping telescope
DE102010003591A1 (en) 2010-04-01 2011-10-06 Trumpf Laser Marking Systems Ag Arrangement and method for frequency conversion of laser radiation
US8422119B1 (en) 2010-09-20 2013-04-16 Disco Corporation Compensation of beam walkoff in nonlinear crystal using cylindrical lens
US8711470B2 (en) 2010-11-14 2014-04-29 Kla-Tencor Corporation High damage threshold frequency conversion system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5745296A (en) * 1995-05-17 1998-04-28 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Multibeam recording device
DE60120905T2 (en) * 2001-02-23 2007-02-15 3D Systems, Inc., Valencia Optical system with electronic dot size control and focus control
US20120032065A1 (en) * 2010-08-08 2012-02-09 Kla-Tencor Corporation Dynamic wavefront control of a frequency converted laser system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210119404A1 (en) * 2017-11-09 2021-04-22 Compact Laser Solutions Gmbh Device for adjusting an optical component

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