DE102017010698A1 - Arrangements for shaping pulsed laser beams - Google Patents
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Abstract
In dieser Patentanmeldung werden optische Anordnungen zur Formung von einem Strahl, der von einem gepulsten Laser, insbesondere von einem Ultrakurzpulslaser emittiert wird, angegeben, bei denen mindestens eine Optik, die den Strahl räumlich in Querschnitt in mindestens 2 Teilstrahlen aufteilt und für die Teilstrahlen unterschiedliche optische Wege erzeugt, und eine optische Abbildungseinheit, die die Teilstrahlen so abbildet, dass die Querschnitte der Teilstrahlen sich in einer gemeinsame Ebene überlagern, verwendet werden. Dabei ist maßgeblich, dass die Unterschiede der optischen Wege so groß sind, dass die dadurch entstehenden relative zeitlichen Versatze von den Teilstrahlen gleich wie oder größer als die Kohärenzlänge des Strahls werden. Damit wird die Interferenzbildung von Teilstrahlen in der Überlagerungsebene eliminiert. In this patent application, optical arrangements for shaping a beam emitted by a pulsed laser, in particular an ultrashort pulse laser, are disclosed, in which at least one optic which spatially divides the beam into at least two partial beams in cross section and different optical beams for the partial beams Paths generated, and an optical imaging unit, which images the partial beams so that the cross sections of the partial beams are superposed in a common plane, are used. It is decisive that the differences in the optical paths are so great that the resulting relative temporal offsets of the partial beams become equal to or greater than the coherence length of the beam. This eliminates the interference of sub-beams in the superposition plane.
Description
Stand der TechnikState of the art
Laser gewinnen immer mehr an Bedeutung in der Materialbearbeitung. In vielen Fällen haben die Laser rotationssymmetrische Verstärkungsvolumen, so dass die meisten Laserstrahlen einen runden Strahlquerschnitt aufweisen. Für flächige Bearbeitung, wie Abtragen und Markierung ist ein runder Strahlquerschnitt ineffektiv für eine Flächenfüllung. Um eine flächige Bearbeitung zu ermöglichen sind oft hochprozentige Überlappungen der Bearbeitungszonen erforderlich.Lasers are becoming increasingly important in material processing. In many cases, the lasers have rotationally symmetric gain volumes so that most laser beams have a round beam cross section. For surface processing, such as removal and marking, a round beam cross-section is ineffective for surface filling. In order to enable a surface treatment often high percentage overlaps of the processing zones are required.
Darüber hinaus ist das Intensitätsprofil von Strahlen hoher Qualität gaußförmig. Aufgrund des Schwellverhaltens unterschiedlicher Prozesse trägt die Energie/Leistung unterhalb der Schwellintensität nicht zu den Prozessen bei und stellt einen Verlust dar. Darüber hinaus tragen die Energiegehalte über der Schwellintensität auch nicht zum Abtrag bei. Im Gegenteil, Intensitäten oberhalb der Schwellintensität können zur Beschädigung von Bauteil führen. Der optimale Strahlquerschnitt in Bezug auf die Flächenfüllung ist rechteckig bzw. quadratisch. Optimale Intensitätsverteilung in Bezug auf effektive Nutzung von Laserenergie/-Ieistung ist eine Top-Hat-Verteilung.In addition, the intensity profile of high quality beams is Gaussian. Due to the swelling behavior of different processes, the energy / power below the threshold intensity does not contribute to the processes and represents a loss. In addition, the energy contents above the threshold intensity also do not contribute to the removal. On the contrary, intensities above the threshold intensity can lead to component damage. The optimal beam cross section with respect to the surface filling is rectangular or square. Optimal intensity distribution in terms of effective use of laser energy / output is a top-hat distribution.
Zur Generierung von Top-Hat Intensitätsverteilung gibt es unterschiedliche optische Anordnungen. Zu einem wird oft Integrator wie Leichtwellenleiter mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt verwendet. Zu anderen wird zur Homogenisierung der Intensität Mikrolinsenarray verwendet. Ein Nachteil der Anordnungen ist den starken Verlust der Strahlqualität nach der Strahlformung.To generate top-hat intensity distribution, there are different optical arrangements. One often uses integrators such as light waveguides with a round or rectangular cross-section. To others, microlens array is used to homogenize the intensity. A disadvantage of the arrangements is the strong loss of beam quality after beam forming.
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Anordnungen zur Formung von Strahlen, die z. B. von gepulsten Lasern, insbesondere von Ultrakurzpulslasern emittiert werden. Die optische Anordnung besteht aus einer Optik, die einen Strahl im Querschnitt in mindestens 2 Teilstrahlen aufteilt und für die Teilstrahlen unterschiedliche optische Wege generiert und einer Abbildungseinheit, die die Teilstrahlen so abbildet, dass die Querschnitte der Teilstrahlen sich in einer gemeinsamen Ebene überlagern. Daraus ergibt sich ein Strahl, dessen Intensitätsverteilung der Summe der Intensitätsverteilung von den Teilstrahlen entspricht.The present invention relates to optical arrangements for shaping of rays, the z. B. of pulsed lasers, in particular ultrashort pulse lasers are emitted. The optical arrangement consists of an optical system which divides a beam into at least 2 partial beams in cross section and generates different optical paths for the partial beams and an imaging unit which images the partial beams such that the cross sections of the partial beams are superposed in a common plane. This results in a beam whose intensity distribution corresponds to the sum of the intensity distribution of the partial beams.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einer Anordnung zur Formung und Führung eines Strahles der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass der Strahl in mindestens zwei Teilstrahlen gemäß einer Vorgabe mittels einer Optik räumlich im Querschnitt aufgeteilt wird und die verwendete Optik so gewählt wird, dass hinter der Optik die Teilstrahlen eine relative Verzögerung zueinander, die vergleichbar mit der oder größer als die Kohärenzlänge der Laserpulse ist, aufweisen. Eine weitere Optik wird verwendet, mit der die Querschnitte der Teilstrahlen in einer gemeinsamen Ebene überlagert abgebildet werden. Damit kann ein Strahl mit einer Intensitätsverteilung, die der Summe der teilstrahlen entspricht, generiert werden.The above object is achieved in an arrangement for shaping and guiding a beam of the type described above in that the beam is spatially divided into at least two partial beams according to a specification by means of optics in cross section and the optics used is chosen so that behind the optics the sub-beams have a relative delay to one another which is comparable to or greater than the coherence length of the laser pulses. Another optics is used with which the cross sections of the partial beams are superimposed in a common plane. Thus, a beam with an intensity distribution corresponding to the sum of the partial beams can be generated.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand Strahlen mit Gaußschen-Profilen und unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben.In the following, the present invention will be described by means of beams with Gaussian profiles and with reference to the preferred embodiments.
Eine weitere Optikeinheit aus Linsen (
Vorzugsweise werden die Linsen so dimensioniert und angeordnet, dass die Linsen (
Für einen zweidimensionalen Strahl kann die Optik (
Wie in
Ausgehend von einem rotationsymmetrischen Strahl mit einem Gaußschen Strahlprofil kann damit ein überlagerter Strahl mit einem quadratischen Querschnitt und mit einer Top-hatnahen Intensitätsverteilung erzeugt werden.Starting from a rotationally symmetric beam with a Gaussian beam profile, it is thus possible to produce a superimposed beam with a square cross-section and with a top-near-intensity distribution.
Die zeitliche Verzögerung kann weiter durch Optik, die Zonen unterschiedlicher Brechungsindizes aufweisen, generiert werden. Eine weitere Ausführung der Optik für die zeitliche Verzögerung ergibt sich, wenn eine Optik durch Spiegelsegmente gebildet wird. Dabei werden die Spiegelsegmente an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet.The time delay may be further generated by optics having zones of different refractive indices. A further embodiment of the optics for the time delay results when an optic is formed by mirror segments. The mirror segments are arranged at different axial positions.
Zur Eliminierung der Interferenz bei der Strahlüberlagerung können auch Polarisationseffekte verwendet werden.To eliminate the interference in the beam superposition, polarization effects can also be used.
Wie in
Bei dem Beam-Displacer (
- YVO4, alpha-BBO, Quarz, LiNbO3.
- YVO 4 , alpha-BBO, quartz, LiNbO 3 .
Statt einer Verzögerungsplatte zur Veränderung der Polarisation können auch ein Rotator aus Quarz, ein Faraday-Rotator aus TGG oder YIG, oder ein Rotator aus Reflexionsflächen, usw., eingesetzt werden. Er hat die Eigenschaft, dass sich im Element Strahlen unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich schnell ausbreiten, so dass nach einem Durchgang durch das Element die Phasen unterschiedlicher Polarisation eine ungleiche Verzögerung erfahren und so die relative Beziehung zwischen den unterschiedlichen Polarisationskomponenten und dem Polarisationszustand geändert wird. Z. B. wird bei einer lambda/4-Verzögerungsplatte ein linear polarisierter Strahl zu einem zirkular oder elliptisch polarisierten Strahl. Bei einer lambda/2-Verzögerungsplatte dreht sich die Polarisation um einen Winkel, der doppelt so groß wie der Winkel zwischen der Eingangspolarisation und der optischen Achse der Platte ist.Instead of a retardation plate for changing the polarization can also be a rotator made of quartz, a Faraday rotator made of TGG or YIG, or a rotator of reflecting surfaces, etc., are used. It has the property that rays of different polarization propagate at different speeds in the element, so that after passing through the element, the phases of different polarization undergo an unequal delay, thus changing the relative relationship between the different polarization components and the polarization state. For example, in a λ / 4 retardation plate, a linearly polarized beam becomes a circularly or elliptically polarized beam. For a lambda / 2 retardation plate, the polarization rotates at an angle twice the angle between the input polarization and the optical axis of the plate.
Die Verzögerungsplatte kann aus Quarz, YVO4, alpha-BBO, usw. bestehen.The retarder plate may be made of quartz, YVO 4 , alpha-BBO, etc.
Eine vorteilhafte Ausführung zur Formung von einem zweidimensionalen Strahl ergibt sich aus einer hintereinander Reihung der in
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