DE102018001667B4 - Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil - Google Patents

Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil Download PDF

Info

Publication number
DE102018001667B4
DE102018001667B4 DE102018001667.7A DE102018001667A DE102018001667B4 DE 102018001667 B4 DE102018001667 B4 DE 102018001667B4 DE 102018001667 A DE102018001667 A DE 102018001667A DE 102018001667 B4 DE102018001667 B4 DE 102018001667B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
hat
converted
beams
arrangement
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102018001667.7A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102018001667A1 (de
Inventor
Keming Du
Daijun Li
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EDGEWAVE GmbH
Original Assignee
EDGEWAVE GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EDGEWAVE GmbH filed Critical EDGEWAVE GmbH
Priority to DE102018001667.7A priority Critical patent/DE102018001667B4/de
Publication of DE102018001667A1 publication Critical patent/DE102018001667A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102018001667B4 publication Critical patent/DE102018001667B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3544—Particular phase matching techniques
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3503—Structural association of optical elements, e.g. lenses, with the non-linear optical device

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil, bestehend aus- einer Strahlquelle (101), die einen polarisierten Strahl (110) abgibt, wobei der Strahl sich entlang der z-Richtung ausbreitet und in der xz- Ebene ein Gauß-ähnliches Strahlprofil aufweist,- einer optischen Anordnung (201), die den Strahl (110) in der xz-Ebene zu einem Strahl (78) mit einem im Wesentlichen Top-hat Strahlprofil transformiert, wobei die optische Anordnung mindestens eine Lambda/2-Verzögerungsplatte (7) aufweist, wobei die Lambda/2-Verzögerungsplatte etwa die Hälfte des Strahlquerschnittes deckt, so dass der Strahl (110) in zwei Teilstrahlen mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationen unterteilt wird, wobei zur koaxialen Überlagerung der beiden Teilstrahlen eine Optik verwendet wird, die mindestens aus einem polarisierenden Element besteht, wobei die Optik die beiden Teilstrahlen räumlich mit ihren Querschnitten so überlagert, dass eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung in der xz-Ebene entsteht,- einer Anordnung aus mindesten einem nichtlinearen Medium (601), mit dem die Frequenz des Strahls (78) zu einem Strahl (678) mit einer anderen Wellenlänge konvertiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (301) verwendet wird, mit der der Top-hat-Strahl (78) mit einer Breite D in einen Top-hat-Strahl (378) mit einer Breite d abgebildet wird, wobei die Abbildungsoptik (301) zwischen der optischen Anordnung (201) und dem nichtlinearen Medium (601) angeordnet und so dimensioniert ist, dass das Top-hat-Strahlprofil in dem nichtlinearen Medium (601) liegt, und der frequenzkonvertierte Strahl (678) ein Top-hat-ähnliches Strahlprofil in der xz-Ebene aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Laser gewinnen immer mehr an Bedeutung in der Materialbearbeitung. In vielen Fällen haben Laser rotationssymmetrische Verstärkungsvolumen, so dass die meisten Laserstrahlen einen runden Strahlquerschnitt aufweisen. Für die flächige Bearbeitung, wie z.B. Abtragen und Markieren ist ein runder Strahlquerschnitt ineffektiv für ein Füllung der Fläche. Um eine flächige Bearbeitung zu ermöglichen sind oft hohe Überlappungen der Bearbeitungszonen erforderlich.
  • Des weiteren ist es für eine selektive, effiziente und präzise Bearbeitung oft wünschenswert und notwendig, die Wellenlängen der Laserstrahlen u. a. wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Absorption an das zu bearbeitende Werkstück anzupassen. Dies erfordert eine Frequenzkonversion eines Laserstrahls. Zur Frequenzkonversion zählen u. a. Frequenzverdopplung, Summen- und Differenzfrequenzerzeugung und optische parametrische Erzeugung (OPO, OPA).
  • Darüber hinaus ist das Intensitätsprofil von Strahlen mit hoher Strahlqualität 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 Bauteilen führen. Der optimale Strahlquerschnitt in Bezug auf die Flächenfüllung ist rechteckig bzw. quadratisch. Die optimale Intensitätsverteilung in Bezug auf eine effiziente Nutzung von Laserenergie/-leistung ist eine Top-Hat-Verteilung.
  • Zur Generierung einer Top-Hat Intensitätsverteilung gibt es unterschiedliche optische Anordnungen. Zu einem wird oft ein Integrator wie Lichtwellenleiter mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt verwendet. Zum anderen wird zur Homogenisierung der Intensität ein Mikrolinsenarray verwendet. Ein Nachteil der Anordnungen ist der starken Verschlechterung der Strahlqualität nach der Strahlformung.
  • Die Druckschrift D1, EP 1 722 450 A1 , beschreibt ein Lasersystem, dass so konstruiert wird, dass es in zwei orthogonalen Strahlebenen unterschiedliche Modenzahlen M2 aufweist. Dies ermöglicht ohne Strahlhomogenisierer die Erzeugung von Strahlen, die eine weitergehend homogene Intensitätsbverteilung in einer der beiden orthogonalen Strahlebenen mit hoher Modenzahl M2. Die Optiken (8 und: 3, 6, und 10) sind anamorphotische optische Elemente, z. B. zylindrische Linse. Sie erzeugt einen anamorphotischen Strahl mit einem ovalen Strahlquerschnitt in einem nichtlinearen Medium. Dabei ändern sich die Intensitätsverteilungen in den beiden orthogonalen Strahlebenen nicht.
  • Die Druckschrift D2, US 2016/0026066 A1 , beschreibt mehrstufige optische parametrische Verstärker. Um die Rückwärtskonversion in nachfolgende Verstärkerstufe zu vermeiden, wird eine Optik zwischen benachbarten Verstärkerstufen verwendet. Die Optik dient zur Auskopplung des Idlerstrahls, der innerhalb der vorherigen Verstärkerstufe generiert wurde.
  • Die Druckschrift D3, JP 2006-66818 A , beschreibt einen Laser mit einer Frequenzkonversion innerhalb eines Resonators. Der Laser wird so konfiguriert, dass er einen Strahl abgibt, der in einer Ebene Multimode mit einem großen M2-Wert aufweist. Aufgrund Mutlimode weist der Strahl in dieser Ebene ein Top-hat-Strahlprofil auf.
  • Die Druckschrift D4, US 5 936 761 A , beschreibt eine konkrete optische Anordnung zur Erzeugung von Strahlen mit einer Wellenlänge von 266nm. Dabei wird die Frequenz von einem 532nm-Strahl innerhalb eines BBO-Kristalls verdoppelt. Aufgrund des Walk-Off-Effekts wird der erzeugte 266nm-Strahl einen ovalen Querschnitt aufweisen. Durch eine optimierte Anpassung der Intensität und die Länge des BBO-Kristalls kann die Intensitätsverteilung des 266nm-Strahl in einer Strahlebene annährend homogen sein.
  • Die Druckschrift D5, US 2013/0208349 A1 , beschreibt eine Diodenlaseranordnung, bei der ein optisches Element verwendet wird, wobei eine Fläche des Elements so dichroitisch beschichtet wird, dass sie reflektiv für die nicht gewünschte Wellenlänge und transmissiv für die gewünschte Wellenlänge ist.
  • Die Druckschrift D6, DE 10 2006 050 155 A1 , beschreibt optische Anordnungen zur Formung eines linear polarisierten Strahl durch Verwendung einer Lambda/2-Verzögerungsplatte und eines Beamdisplacers. Die Verzögerungsplatte deckt einen Teil des Strahlquerschnittes und teilt der polarisierte Strahl so in zwei Teilstrahlen mit senkrechten zueinander stehenden Polarisationen auf. Der Beamdisplacer wird so dimensioniert, dass die beiden Teilstrahlen überlagert werden und der überlagerte Strahl in Richtung der Überlagerung eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung erhalten wird.
  • Die Druckschrift D7, US 2015/0299893 A1 , beschreibt eine optische Anordnung zur Erzeugung von 4ter Harmonische. Dabei wird eine amorphische Strahlformungsoptik verwendet, mit der der Strahl zu einem Strahl mit einem elliptischen Querschnitt transformiert wird.
  • Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Anordnungen, mit denen frequenzkonvertiere Strahlen mit top-hat-Strahlprofil generiert werden kann, ohne dabei die Strahlqualität deutlich zu reduzieren. Im Folgenden werden die optischen Anordnungen gemäß dieser Erfindung an Beispielen erläutert.
  • zeigt eine Ausführung der Anordnung gemäß dieser Erfindung, mit der ein frequenzkonvertierter Strahl mit einem Top-hat-Strahlprofil in der xz-Ebene erzeugt werden kann, wobei die z-Richtung die Strahlausbreitungsrichtung darstellt. Die Anordnung besteht aus einer Strahlquelle (101), die einen polarisierten Strahl abgibt (110), der in der xz-Ebene ein Gauß-ähnliches Strahlprofil hat, einer optischen Anordnung (201), die den Strahl (110) mit einem Gauß-ähnlichen Strahlprofil in der xz-Ebene zu einem Strahl (78) mit einem im Wesentlichen Top-hat Strahlprofil in der xz-Ebene transformiert und einer Anordnung aus mindestens einem nichtlinearen Medium, mit dem die Frequenz des Strahls (78) konvertiert wird und mindestens ein Strahl (678) mit einer anderen Wellenlänge und mit einem top-hat-ähnlichen Strahlprofil erzeugt wird.
  • Für eine effiziente Frequenzkonversion soll die Intensität in dem nichtlinearen Medium hoch genug sein. Andererseits darf die Intensität nicht zu hoch sein, da eine zu hohe Intensität zur Beschädigung des nichtlinearen Mediums führen wird. Darüber hinaus ist muss der zu konvertierende Strahl ein top-hat-Intensitätsverteilung im nichtlinearen Medium aufweisen, damit ein frequenzkonvertierter Strahl mit top-hat-ähnlichen Strahlprofil erzeugt werden kann. Um alle dies sicherzustellen, wird, wie in dargestellt, eine Abbildungsoptik (301) zwischen der Umformungsoptik (201) und dem nichtlinearen Medium angeordnet. Mit der Optik (301) wird der Top-hat-Strahl (78) mit einer Breite D in einen Top-hat-Strahl (378) mit einer Breite von d abgebildet. Dabei wird die Optik (301) so dimensioniert, dass das Top-hat-Profil in dem nichtlinearen Medium liegt. Innerhalb des nichtlinearen Mediums wird mindestens ein frequenzkonvertierter Strahl (678), der ein Top-hat-Strahlprofil in der xz-Ebene aufweist, generiert.
  • Es wird vorausgesetzt, dass der Strahl (110) ein Gauß-ähnliches Strahlprofil in der yz-Ebene aufweist. In diesem Fall kann eine Umformungsoptik (401) verwendet werden, die das Gauß-ähnliche Strahlprofil in der yz-Ebene zu einem Top-hat-ähnlichen Strahlprofil in der yz-Ebene transformiert. Darüber hinaus wird mindestens eine zylindrische Abbildungsoptik verwendet. Damit können die Top-hat-ähnliche Strahlprofile in der xz- und yz-Ebene auf einer gemeinsamen axialen Position abgebildet werden. Wie in dargestellt, entsteht daraus ein Ausgangstrahl (578), der einen rechteckigen, in einem besonderen Fall einen quadratischen Querschnitt hat und ein top-hat-ähnliches Strahlprofil sowohl in der xz- als auch in der yz-Ebene aufweist.
  • Der Strahl (678. 578) mit einem top-hat-ähnlichen Strahlprofil kann für die Applikation durch eine weitere Abbildungsoptik auf das Werkstück abgebildet werden.
  • Weiter kann der Strahl (678, 578) mit nichtlinearen Medien zur Erzeugung von Strahlen anderer Wellenlängen verwendet werden.
  • Im Folgenden werden zuerst die Funktionsweise der Anordnungen (201) zur Umformung von Strahl am Beispiel erläutert.
  • zeigt die Intensitätsverteilung eines Gaußschen Strahls. Es wird vorausgesetzt, dass der Gaußsche Strahl linear polarisiert ist. Wie in und dargestellt ist, wird in dem Strahlgang eine lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) verwendet. Die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) wird so angeordnet, dass etwa die Hälfte des Strahls die lambda/2-Verzörgerungsplatte durchläuft. Das heißt, dass die Hälfte des Strahlquerschnitts durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) gedeckt wird (vgl. ). Hinter der lambda/2-Verzörgerungsplatte wird der Strahl in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation unterteilt. Die Polarisation des durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte durchgelaufenen Teilstrahls wird um 90° gedreht, während die Polarisation des anderen Teilstrahls unverändert bleibt. Dies wird mit den Symbolen Kreis mit einem Punkt und einem Pfeil gedeutet (vgl. und ).
  • Andere Anordnungen von Verzögerungsplatten können zur Erzeugung von Teilstrahlen, die unterschiedliche Polarisationen haben, verwendet werden.
  • Um die beiden Teilstrahlen räumlich zwecks koaxialen Überlagerung bzw. Homogenisierung zu überlagern, wird eine Optik, die mindestens aus einem polarisierenden Element besteht, verwendet.
  • zeigt eine optische Anordnung zur Zusammenführung der beiden Teilstrahlen. Dabei werden die beiden Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation durch den ersten Polarisator (27) aufgespalten. Der s-polarisierte Teilstrahl Strahl (81) wird durch die beiden Umlenkspiegel (28 und 28) und den zwei Polarisator (27 und 27) mit dem Teilstrahl (82) im Wesentlichen parallel zueinander überlagert.
  • Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen haben, entspricht die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen.
  • Die Verteilung des Gesamtstrahls kann durch den Versatz, der durch die Anordnungen der Optik aus den beiden Polarisatoren (28) resultiert und den beiden Spiegeln (27) eingestellt werden.
  • Zwei Beispiel der Intensitätsverteilung zeigen und . Die Intensitätsverteilung in stellt eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung (Top-Hat-Intensitätsverteilung) dar.
  • Ein Alternative zu der in dargestellten Ausführung zeigt , wo ein Polarisator (23) zwei polarisierende Grenzflächen (91 und 92) aufweist. Dabei wird der s-polarisierte Teilstrahl (81) durch die polarisierende Grenzfläche (92) zuerst nach unten reflektiert. Die polarisierende Grenzfläche (91) reflektiert den Teilstrahl (81) und lenkt ihn wieder in Richtung des Teilstrahls (82). Danach breiten sich die beiden Teilstrahl im Wesentlichen parallel zueinander aus.
  • zeigt eine beispielhafte Ausführung zur koaxialen Überlagerung von zwei Teilstrahlen, bei der ein Strahlversetzer (61) verwendet wird. Hinter der lambda/2-Verzögerungsplatte (7) entstehen aus dem linear polarisierten Eingangsstrahl (1) zwei Teilstrahlen (81, 82) mit senkrecht zueinander stehender Polarisation. Die beiden Teilstrahlen durchlaufen den Strahlversetzer (61). Hinter dem Strahlversetzer werden die beiden Teilstrahlen räumlich überlagert, und zwar mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Ausbreitungsrichtung. Wie die räumliche Überlappung aussehen sollte, kann durch die Länge des Strahlversetzers entlang der Ausbreitungsrichtung bestimmt werden. Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen haben, entspricht die Intensität des Gesamtstrahls (78) der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen (vgl. . Damit werden die Interferenz und eine damit verbundene, starke Intensitätsmodulation unterbunden.
  • Bei dem Beam-Displacer (61) handelt es sich um ein doppelbrechendes Medium, bei dem die Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation bei dem Eintritt in das Medium und bei dem Austritt aus dem Medium unterschiedlich gebrochen werden. Bei dem Beispiel fällt ein Strahl, der sowohl s- als auch p-polarisierte Komponenten enthält, senkrecht in den Beam-Displacer 61 ein. Der Beam-Displacer ist so konfiguriert, dass die s-polarisierte Komponente beim Eintritt ungebrochen hindurch läuft, während die p-polarisierte Komponente nach oben gebrochen wird. Beim Austreten wird die s-Komponente wie beim Eintreten nicht gebrochen, während die p-polarisierte Komponente nach unten gebrochen wird. Durch Brechung beim Eintreten und Austreten entsteht ein lateraler Versatz zwischen den beiden Komponenten. Beim Beam-Displacer 61 mit paralleler Eintritts- und Austrittsfläche breiten sich die beiden Strahlen unterschiedlicher Polarisationen nach dem Durchgang mit einem lateralen Versatz parallel aus. Unter den doppelbrechenden Medien sind zu nennen: YVO4, alpha-BBO, Quarz, LiNbO3.
  • 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. 90° Drehung wird erreicht, wenn die optische Achse der lambda/2-Platte 45° zur Polarisation des Eingangsstrahls steht.
  • Die Verzögerungsplatte kann aus Quarz, YVO4, alpha-BBO, usw. bestehen.
  • Eine einfachste Abbildungsoptik (301) besteht aus zwei positiven Linsen mit einer Fokuslänge F und f. Wie in dargestellt ist, werden die beiden Linsen konfokal angeordnet und bilden deshalb ein Teleskop. Damit wird der Strahl (78) mit einer Breite von D zu einem Strahl mit einer Breite d=D*f/F in dem nichtlinearen Medium (601) telezentrisch abgebildet.
  • Bei Bedarf können mehrfache Nutzungen von Teleskopen, u. a. auch Teleskope aus zylindrischen Linsen in Betracht gezogen werden.
  • Als nichtlineares Medium können nichtlineare Kristalle wie LBO, BBO, KTP, etc. verwendet werden. Da die überlagerten Strahlen (678, 578) zwei senkrecht zueinanderstehende Polarisationen aufweisen, ist eine effiziente Konversion durch Verwendung von Kristallen mit der Phasenanpassung Typ II zu bevorzugen. Bei Phasenanpassung Typ II steht die Polarisation des frequenzkonvertierten Strahls unter einem Winkel von 45° zur Polarisation des Eingangsstrahls. Wird der überlagerte Ausgangsstrahl (36, 78) in einem nichtlinearen Kristall der Phasenanpassung II frequenzkonvertiert, so hat der frequenzkonvertierte Strahl aus dem nichtlinearen Kristall eine lineare Polarisation.
  • Die nichtlineare Konversion der Frequenz basiert auf der nichtlineare Wechselwirkung vom elektrischen Feld des Laserstrahls und eines nichtlinearen Mediums. An dieser Stelle ist es für eine effiziente und stabile Erzeugung einer neuen Wellenlänge essentiell, dass die beiden Polarisationen des überlagerten Strahls innerhalb des nichtlinearen Medium in Phase sind. Bei der in der dargestellten Ausführung kann dies durch die Verschiebung eines der Spiegel (28) sichergestellt werden. Bei der in der dargestellten Ausführung kann dies durch minimale Drehung des Polarisators (23) eingestellt werden. Bei der in der dargestellten Ausführung kann dies durch eine Drehung des Beam-Displacers (61) erreicht werden.
  • Um die Sensibilität der Einstellung zu reduzieren, kann bei allen Ausführungen ein zusätzliches doppelbrechendes Element mit einer geeigneten Dicke zwischen (201) und (601) in den Stahlgang vor das nichtlineare Medium angeordnet werden. Durch Änderung der Orientierung des doppelbrechenden Elements kann die relative Phase der beiden Polarisationen so eingestellt werden, dass sie in Phase sind.

Claims (9)

  1. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil, bestehend aus - einer Strahlquelle (101), die einen polarisierten Strahl (110) abgibt, wobei der Strahl sich entlang der z-Richtung ausbreitet und in der xz- Ebene ein Gauß-ähnliches Strahlprofil aufweist, - einer optischen Anordnung (201), die den Strahl (110) in der xz-Ebene zu einem Strahl (78) mit einem im Wesentlichen Top-hat Strahlprofil transformiert, wobei die optische Anordnung mindestens eine Lambda/2-Verzögerungsplatte (7) aufweist, wobei die Lambda/2-Verzögerungsplatte etwa die Hälfte des Strahlquerschnittes deckt, so dass der Strahl (110) in zwei Teilstrahlen mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationen unterteilt wird, wobei zur koaxialen Überlagerung der beiden Teilstrahlen eine Optik verwendet wird, die mindestens aus einem polarisierenden Element besteht, wobei die Optik die beiden Teilstrahlen räumlich mit ihren Querschnitten so überlagert, dass eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung in der xz-Ebene entsteht, - einer Anordnung aus mindesten einem nichtlinearen Medium (601), mit dem die Frequenz des Strahls (78) zu einem Strahl (678) mit einer anderen Wellenlänge konvertiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (301) verwendet wird, mit der der Top-hat-Strahl (78) mit einer Breite D in einen Top-hat-Strahl (378) mit einer Breite d abgebildet wird, wobei die Abbildungsoptik (301) zwischen der optischen Anordnung (201) und dem nichtlinearen Medium (601) angeordnet und so dimensioniert ist, dass das Top-hat-Strahlprofil in dem nichtlinearen Medium (601) liegt, und der frequenzkonvertierte Strahl (678) ein Top-hat-ähnliches Strahlprofil in der xz-Ebene aufweist.
  2. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der frequenzkonvertierte Strahl (678) ein Gauß-ähnliches Strahlprofil in der yz-Ebene aufweist, wobei eine weitere optische Anordnung (401) hinter dem nichtlinearen Medium verwendet wird, mit der das Gauß-ähnliche Strahlprofil in der yz-Ebene zu einem Top-hat-ähnlichen Strahlprofil in der yz-Ebene transformiert wird.
  3. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (501) aus mindestens einem zylindrischen Teleskop verwendet wird, mit dem die Top-hat-ähnlichen Strahlprofile in der xz- und yz-Ebene auf einer gemeinsamen axialen Position zu einem frequenzkonvertierten Strahl (578) abgebildet werden.
  4. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass weitere nichtlinearen Medien zur Erzeugung von Strahlen neuer Wellenlängen aus dem frequenzkonvertierten Strahl (678,578) verwendet werden.
  5. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überlagerung der beiden Teilstrahlen ein Strahlversetzer (61) eingesetzt wird, wobei nach dem Strahlversetzer (61) die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen so überlagert werden, dass die beiden überlagerten Teilstahlen eine identische Ausbreitungsrichtung haben.
  6. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (301) mindestens zwei positive Zylinderlinsen mit jeweils einer Fokuslänge F und f aufweist, wobei die beiden Linsen konfokal angeordnet werden, wobei der Strahl (78) mit einer Breite von D zu einem Strahl mit einer Breite d=D*f/F in dem nichtlinearen Medium (601) telezentrisch abgebildet wird.
  7. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtlineare Medien (601) nichtlineare Kristalle wie LBO, BBO, KTP, etc. verwendet werden.
  8. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversion durch Verwendung von Kristallen mit der Phasenanpassung Typ II erfolgt.
  9. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein doppelbrechendes Element vor dem nichtlinearen Medium verwendet wird, wobei das doppelbrechende Element mit einer Justiermöglichkeit versehen ist, womit die relative Phase der beiden senkrecht polarisierten Teilstrahlen so eingestellt werden kann, dass die Teilstrahlen innerhalb des nichtlinearen Mediums in Phase sind.
DE102018001667.7A 2018-03-04 2018-03-04 Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil Active DE102018001667B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018001667.7A DE102018001667B4 (de) 2018-03-04 2018-03-04 Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018001667.7A DE102018001667B4 (de) 2018-03-04 2018-03-04 Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102018001667A1 DE102018001667A1 (de) 2019-09-05
DE102018001667B4 true DE102018001667B4 (de) 2023-09-28

Family

ID=67622545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018001667.7A Active DE102018001667B4 (de) 2018-03-04 2018-03-04 Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018001667B4 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022001953A1 (de) 2022-06-05 2023-12-07 Keming Du Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936761A (en) 1996-05-28 1999-08-10 Sony Corporation Wavelength conversion apparatus
JP2006066818A (ja) 2004-08-30 2006-03-09 Sony Corp １次元照明装置及び画像生成装置
EP1722450A1 (de) 2005-05-12 2006-11-15 Innovavent GmbH Anamorphotischer scheibenförmiger Festkörperlaser
DE102006050155A1 (de) 2006-10-21 2008-04-24 Du, Keming, Dr. Anordnungen zur Formung von Laserstrahlen
US20130208349A1 (en) 2012-02-10 2013-08-15 David Balsley Laser feedback damage mitigation assembly and apparatus
US20150299893A1 (en) 2011-07-22 2015-10-22 Kla-Tencor Corporation Multi-Stage Ramp-Up Annealing For Frequency-Conversion Crystals
US20160026066A1 (en) 2014-07-25 2016-01-28 Raytheon Company Methods and apparatus for idler extraction in high power optical parametric amplifiers

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936761A (en) 1996-05-28 1999-08-10 Sony Corporation Wavelength conversion apparatus
JP2006066818A (ja) 2004-08-30 2006-03-09 Sony Corp １次元照明装置及び画像生成装置
EP1722450A1 (de) 2005-05-12 2006-11-15 Innovavent GmbH Anamorphotischer scheibenförmiger Festkörperlaser
DE102006050155A1 (de) 2006-10-21 2008-04-24 Du, Keming, Dr. Anordnungen zur Formung von Laserstrahlen
US20150299893A1 (en) 2011-07-22 2015-10-22 Kla-Tencor Corporation Multi-Stage Ramp-Up Annealing For Frequency-Conversion Crystals
US20130208349A1 (en) 2012-02-10 2013-08-15 David Balsley Laser feedback damage mitigation assembly and apparatus
US20160026066A1 (en) 2014-07-25 2016-01-28 Raytheon Company Methods and apparatus for idler extraction in high power optical parametric amplifiers

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018001667A1 (de) 2019-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019205394A1 (de) Bearbeitungsoptik, Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung
WO2009012913A1 (de) Optische anordnung zur erzeugung von multistrahlen
EP2122413B1 (de) Verfahren und anordnung zur frequenzkonvertierung kohärenter optischer strahlung
DE102006050155B4 (de) Anordnungen zur Formung von Laserstrahlen
DE102009047098A1 (de) Optische Anordnung zur Homogenisierung eines Laserpulses
DE112015004394T5 (de) Laseranordnung und inspektionssystem unter verwendung einer monolitischen apparatur zum verringern der bandbreite
DE10147362B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur optischen Frequenzkonversion von zumindest zwei Laserstrahlen aus ultrakurzen Strahlungsimpulsen
EP2553524B1 (de) Anordnung und verfahren zur frequenzkonversion von laserstrahlung
DE10143709A1 (de) Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Lasergrundfrequenz in andere Frequenzen
DE112022002200T5 (de) Frequenzumwandlung mittels ineinandergreifender Gitter aus nichtlinearem Kristall
DE102018109763B4 (de) Erzeugung frequenzverdreifachter Laserstrahlung
DE102018001667B4 (de) Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil
EP0756194A1 (de) Laser mit Frequenzvervielfachung
DE112022000481T5 (de) Durchstimmbare duv-laser-anordnung
DE102022001953A1 (de) Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil
DE102016011555B4 (de) Optische Anordnungen zur Symmetrisierung von Intensitätsverteilungen
DE102012203947A1 (de) Optisches System einer Waferinspektionsanlage, sowie Verfahren zum Betreiben einer Waferinspektionsanlage
DE102012205045A1 (de) Optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage
DE102017010698B4 (de) Anordnungen zur Formung von gepulsten Laserstrahlen
DE102007063492B4 (de) Vorrichtung zur Frequenzverdopplung von Laserstrahlung
DE102014008355B4 (de) Optisches System zum Homogenisieren der Intensität von Laserstrahlung
EP2936245B1 (de) Einrichtung zur frequenzumwandlung eines mit einer ersten frequenz von einer laserstrahlquelle erzeugten laserstrahls
DE102021204057A1 (de) Überlagerungseinrichtung und optisches System
DE1564209C (de) Vorrichtung zur Einstellung der Frequenz eines optischen Senders oder Verstärkers
EP0907097A2 (de) Optisch-parametrischer Oszillator

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final