DE102017002907A1 - Anordnungen zur Verstärkung von Multistrahlen - Google Patents

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Abstract

In dieser vorliegenden Patenanmeldung werden optische Anordnungen angegeben, mit den multi adressierbaren Strahlen effizient generiert werden können. Die zentrale Idee dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zuerst mehrere Nutz-Strahlen generiert werden, wobei die Nutz-Strahlen einen gemeinsamen Verstärker haben und sie mittels Optik in dem Verstärkungsmedium überlappend abgebildet werden. Darüber hinaus wird mindestens ein weiterer Strahl zum Konditionieren des Inversionsniveaus im Lasermedium verwendet, wobei der Konditionierungsstrahl durch Optikanordnung im Verstärkungsmedium mit den Nutz-Strahlen überlappend abgebildet wird. Durch den Konditioniereungsstrahl wird das Inversionsniveau so konditioniert, dass die Verstärkung für die Nutz-Strahlen definierbar wird.

Description

  • Lasermaterialbearbeitung gewinnt zunehmende Bedeutung für präzise und flexible Produktion. Die Bearbeitungsetechnologie mit Ultrakurzenpulslasern (UKP) wird mit einem rasanten Tempo u. a. in der Elektro-, Halbleiter, Display- und Druckindustrie umgesetzt. Um die Produktivität mit UKP-Lasern weiterzusteigern, ist eine parallele Bearbeitung mit mehreren Strahlen eine vielversprechende Technologie.
  • Konventionell können die Strahlen für parallele Bearbeitung unter anderen durch Verwendung von diffraktiven Optikelementen (DOE) generiert werden. Allerdings ist hierbei die Flexiblität eingeschränkt, weil die Strahlen zeitlich das gleiche Verhalten haben. Um komplexe Bauteile und Geometrie bearbeiten zu können, ist es erforderlich, dass die Strahlen für die parallele Bearbeitung zeitlich unabhängig von einander ansteuerbar sind. Zwar können die durch DOE generierten Strahlen durch nachgeschaltete Modulatoren unabhängig von einander angesteuert werden, dies erfordert aber erheblichen Aufwand und ist mit Effizienzverlust verbunden.
  • In dieser vorliegenden Patenanmeldung werden optische Anordnungen angegeben, mit denen multi adressierbare Strahlen effizient generiert werden können.
  • Die zentrale Idee dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zuerst mehrere Nutzstrahlen generiert werden, wobei die Nutzstrahlen einen gemeinsamen Verstärker haben und sie mittels Optik in dem Verstärkungsmedium (80) überlappend abgebildet werden. Darüber hinaus wird mindestens ein weiterer Strahl zum Konditionieren des Inversionsniveaus im Verstärkungsmedium verwendet, wobei der Konditionierungsstrahl durch Optikanordnung im Verstärkungsmedium mit den Nutzstrahlen überlappend abgebildet wird. Durch den Konditionierungsstrahl wird das Inversionsniveau so konditioniert, dass die Verstärkung für die Nutz-Strahlen definierbar wird und die Energie bzw. Leistung der verstärkten Nutzstrahlen in einer festen Relation zu der Energie bzw. Lesitung der zu verstärkenden Nutzstrahlen steht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand Anordnungen mit zwei Nutzstrahlen erläutert. Die Erweiterung auf mehr als zwei Strahlen is hier ebenfalls offenbart.
  • zeigt eine Ausführung der optischen Anordnung zur Verstärkung von zwei Nutzstrahlen (111) und (112). Dabei haben die beiden Strahlen einen Durchmesser von d. Jeder Strahl hat eine nachgeordnete Linse (61) bzw. (62) mit einer Brennweite f. Eine gemeinsame Linse (70) mit einer Brennweite F wird verwendet, um die beiden Nutzstrahlen in das Verstärkungsmedium (80) mit einer Abmessung D abzubilden. Die Brennweiten der Linsen werden so gewählt, dass die Abmessung der Nutzstrahlen den Querschnitt des Verstärkungsmediums füllt. Also es gilt in der ersten Näherung: d*F/f = D.
  • Um das Inversionsniveau und somit die Verstärkung im Verstärkungsmedium (80) zu regulieren, und somit die Energie bzw. die Leistung der verstärkten Nutz-Strahlen zu definieren, wird wie in dargestellt ein Konditionierungsstrahl (179) dazu geschaltet. Der Konditionierungsstrahl (179) wird unter Nutzung der Linsen (69) und (70) in das Verstärkungsmedium eingekoppelt. Im Verstäkungsmedium sind die Nutzstrahlen und der Konditionierungsstrahl im Querschnitt deckend. Gemäß dieser vorliegenden Erfindung wird die Pulsenergie bzw. die Leistung des Konditionierungsstrahls (179) so eingestellt, dass die Sum-Pulsenergie bzw. die Sum-Leistung von den Nutzstrahlen und von dem Konditionierungsstrahl über einer relevanten Zeitkonstante nährungsweise konstant sind. Die relevante Zeitkonstante ist z. B. die Periode der Pulse von Nutzstrahlen oder die charakteristische Zeit der Bearbeitungsprozesse mit dem Nutzstrahlen. Die Strahlen (111), (112) und (179) können jeweils von einer eigenen Strahlquelle (11), (12) und (17) abgegeben sein.
  • Aus thermischem Grund ist es vorteilhaft, das Verstärkungsmedium slabförmig zu bilden. In diesem Fall werden die Strahlen entlang einer Linie angeordnet.
  • zeigt eine Ausführung, wo die zeitlich modulierten Nutzstrahlen (111) und (112) von einer Strahlquelle (1) durch einen Strahlteiler (41) und die nachgeschalteten Modulatoren (201) und (202) erzeugt werden. zeigt eine Ausführung für die Aufteilung (41) mittels teiltransmittierender Optik (401). Durch Verwendung eines Spiegels (403) werden die beiden Nutzstrahlen (101) und (102) parallel gerichtet. zeigt eine weitere Ausführung der Strahlaufteilung. Dabei wird eine lambda/2-Verzögerungsplatte und ein doppelbrechender Beam-Displacer verwendet. Weitere Ausführungen der Strahlaufteilung können z. B. durch Verwendung von diffraktiven Optikelementen realisiert werden. Desweiteren kann eine dynamische Strahlaufteilung mittels einer Modulatoranordnung erreicht werden. Modulatoranordnungen können durch elektrooptische Modulatoren oder/und akustooptische Modulatoren gebildet werden.
  • zeigt eine Ausführung, wo der Konditionierungsstrahl (179) von einer Strahlquelle (171) emittiert wird und dessen Energie bzw. Leistung durch einen nachgeschalteten Modulator (209) eingestellt werden kann.
  • In ist eine weitere Ausführung dargestellt. Dabei wird auch der Konditionierungsstrahl (179) von der gemeinsamen Strahlquelle (1) gesplittert und dessen Energie bzw. Leistung wird durch den Modulator (209) variiert.
  • Die Strahlquelle (1) kann ein cw-Oszillator oder ein gepulster Oszillator sein. Bei einem gepulsten Oszillator kann es sich um einen Dioden-Oszillator handeln, dessen Energie und/oder Puldauer mittels Treiberstrom variiert werden kann. Weitere Beispiele des gepulsten Oszillators sind güteschaltende Oszillatoren mit einer Pulsdauer um ns oder modemgekoppelte Oszillatoren mit Pulsdauer im Bereich ps oder fs. Die Pulsenergie eines Oszillators kann zu gering für folgende Verstärker sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, eine Verstärkeranordnung dem Oszillator nachzuschalten. Danach wird der verstärkte Strahl aufgeteilt.
  • zeigt eine Ausführung, wobei eine erst stufige Strahlaufteilung mittels eines akustooptischen Modulator (21) realisiert wird. Der Strahl (10) von der Strahlquelle (1) wird in den Modulator (21) eingespeist. Hinter dem Modulator (21) entstehen zwei Strahlen: ein Strahl (11) der 0ten-Ordnung und ein Strahl (179) der 1ten Ordnung (vgl. ). Unter Vewendung der Strahlteiler (41) und der Modulatoren (201) und (202) werden aus dem Strahl (11) die beiden Nutzstrahlen (111) und (112) bereitgestellt.
  • Es ist vorteilhaft und technisch möglich, die Modulatoren (201) und (202) in einen Modulator von mehreren Kanälen zu integrieren. Ein Beispiel zeigt . Dabei wird statt Modulatoren (201) und (202) ein Modulator (220) verwendet, der mehrere Kanäle aufweist.
  • Eine weitere Vereinfachung der Strahlaufteilung und Strahlmodulation wird erreicht, indem ein Deflektor verwendet wird. Eine derartige Ausführung zeigen und . Dabei wird ein akustooptische Deflektor (26) mit 3 unterschiedlichen Hochfrequenzen betrieben. Dadurch entstehen 3 gebeugte Strahlen (131), (132) und (177). (131) und (132) bilden die Nutzstrahlen und (177) wird als der Konditionierungsstrahl verwendet. (110) ist der Strahl der 0te-Ordnung und wird durch eine Blende abgeblockt. Wenn die Leistungen der unterschiedlichen Hochfrequenz gemäß einer Vorgabe variiert werden, so können die Leistungen der Nutzstrahlen und des Konditionierungsstrahls unabhängig voneinander eingestellt werden.
  • Zur weiteren Erhöhung der Energie bzw. Leistung können weitere Verstärkerstufen nachgeschaltetwerden. zeigt ein Bespiel von Verstärkeranordnungen. Dabei wird eine zweite Stufe von Verstärkern verwendet. Die aus der ersten Verstärkerstufe austretenden Strahlen (901), (902) und (739) werden mittels einer Abbildungsoptik (480) in ein Verstärkungsmedium (810) der zweiten Verstärkerstufe abgebildet. Auch hier ist es wichtig, dass die Querschnitte der Strahlen im Verstärkungsmedium in Deckung sind.
  • zeigt eine beispielhafte Ausführung, wo die aus der zweiten Verstärkerstufe austretenden Strahlen (911), (912) und (729) mit einer gemeinsamen Linsen (710) und 3 weiteren Linsen (64), (65) und (68) in räumlich getrennten Strahlen (921), (922) und (189) abgebildet werden. Die Linsen (64), (65) und (68) sind jeweils einem Strahl zugeordnet. Die Strahlen (921) und (922) sind die verstärkten Nutzstrahlen. Der verstärkte Konditionierungsstrahl (189) kann durch einen Strahlabsorber (55) vernichtet werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Optik so ausgelegt wird, dass die Strahlen parallel verlaufen.
  • Um den Aufbau zu vereinfachen, können die Linsen (64), (65) und (68) in ein Linsenarray zusammengefasst werden. Jedem Strahl wird ein Linsenelement zugeordnet. Gleiches gilt für die Linsen (61), (62) und (69).
  • Für viele Anwendungen sind frequenzkonvertierte Strahlen vorteilhaft bzw. notwendig. Ein Ausführungsbeispiel zur Frequenzkonversion zeigt . Dabei werden die Strahlen (921) und (922) durch Verwendung einer Abbildungsoptik (486) in einem nichtlinearen Medium (467) abgebildet werden. Im Medium (467) wird die Frequenz der Strahlen konvertiert, z.B. verdoppelt, verdreifacht, etc.
  • Zur Erhöhung der Konversionseffizienz werden die Strahlen so abgebildet werden, dass sie sich im nichtlinearen Medium parallel zueinander ausbreiten. Eine bevorzugte Ausführung der Abbildung ist eine telezentrische Abbbildung. Eine telezentrische Abbildung ist auch vorteilhaft für die Abbildung zwischen Verstärkerstufen.
  • Im Fall, dass die zu verstärkenden Strahlen von einem Oszillator stammen und ultrakurze Pulsdauer haben, ist es vorteilhaft, die Pulse zeitlich gleicher oder größer als die Pulsdauer zu einander zu verzögern, um mögliche Interferenz im Verstärkungsmedium zu vermeiden.
  • Im Fall, dass die zu verstärkenden Strahlen (111) und (112) und der Konditionierungsstrahl (179) von einem Oszillator stammen und ultrakurze Pulsdauer haben, ist es vorteilhaft, der Konditionierungspuls durch viele Pulsen geringer Amplituden von dem Modulator aus dem Seeder auszuwählen.
  • Es ist naheliegend, dass die Anzahl der Nutzstrahlen erhöht werden. Ein Beispiel zeigt .

Claims (12)

  1. Optische Verstärkeranordnung, die aus mindestens zwei Eingangstrahlen (111, 112) und mindestens einem Verstärkungsmedium (80) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstrahlen (111, 112) durch eine Optikanordnung, die aus Linsen (61), (62) und (70) besteht, wobei die Linsen (61) und (62) jeweils dem Strahl (111) und (112) zuordnet sind, im Verstärkungsmedium (80) überlappend abgebildet werden.
  2. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Strahl (179) zum Konditionieren des Inversionsniveaus im Lasermedium (80) verwendet wird, wobei der Konditionierungsstrahl (179) von einer Strahlquelle (17) unter Zusammenwirkung der Linsen (69) und (70) im Verstärkungsmedium (80) mit den Strahlen (111) und (112) überlappend abgebildet wird.
  3. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmedium (80, 810) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  4. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen (101) und (102) von einer Strahlquelle (1) mittels eines Strahlaufteilers (41) aufgesplittert sind, wobei dem Strahl (101) ein Modulator (201) und dem Strahl (102) ein Modulator (202) zur Modulation der Energie/Leistung nachgeschaltet wird.
  5. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Konditionierungsstrahl (179) durch einen Strahl (107), der von der Strahlquelle (1) aufgesplittert ist und einen nachgeschalteten Modulator (209) generiert wird entsteht.
  6. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung der Strahlen von der Strahlquelle (1) eine Modulator-Anordnung verwendet wird.
  7. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulator-Anordnung aus einem akkustooptischen Modulator und einem HF-Treiber besteht, wobei der Modulator mit einem HF-Treiber von einer festen Frequenz betrieben wird, wobei der Strahl (10) von der Strahlquelle (1) in einen Strahl der 0te-Ordnung (11) und einen Strahl der 1te-Ordnung (179) aufgeteilt wird, wobei der Strahl (11) mittels Strahlsplitter (41) in Strahlen (101) und (102) aufgeteilt wird, wobei den Strahlen (101) und (102) jeweils ein Modulator (201) und (202) nachgeschaltetwird.
  8. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatoren (201) und (202) durch einen Modulator (220), der mindestens 2 Kanäle hat, gebildet wird.
  9. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulator-Anordnung aus einem akustooptischen Deflektor (26) und einem HF-Treiber besteht, wobei der HF-Treiber mindestens zwei unterschiedliche Treiber-Frequenzen erzeugt, wobei die HF-Leistung zur Modulation der Energie/Leistung von Strahlen unabhängig voneinder geregelt werden kann, um die Strahlen (111), (112) und (179) zu generieren, die unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen und/oder Energie/Leistunng haben.
  10. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verstärker nachgeschaltet wird, wobei die Ausgangsstrahlgruppe (901, 902, 739) aus dem ersten Verstärker durch Verwendung einer Abbildungsoptik (480) in das Verstärkungsmedium (810) des zweiten Verstärkers überlappend abgebildet wird.
  11. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstrahlgruppe (901, 902, 739) nach dem ersten Verstärker oder (911, 912, 729) zweiten Verstärker durch Verwendung einer Optikanordnung aus Linsen (710), (64), (65) und (68) in räumlich getrennte Strahlen (921), (922) und (189) abgebildet werden.
  12. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks nichtlinearer Frequenzkonversionen die Strahlen (921) und (922) mittels einer Abbildungsoptik (486) so in einem nichtlinearen Medium abgebildelt werden, dass sie die gleiche Ausbreitungsrichtung haben.
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