DE102018103131B4

DE102018103131B4 - Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie, optisches System und Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines eintreffenden Laserstrahls

Info

Publication number: DE102018103131B4
Application number: DE102018103131.9A
Authority: DE
Inventors: Berthold Burghardt; Hans-Jürgen Kahlert; Johannes Richter; Sebastian Geburt
Original assignee: Innovavent GmbH
Current assignee: Innovavent GmbH
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2038-02-14
Also published as: WO2019158497A1; DE102018103131A1

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie, umfassend ein optisches System zum Verarbeiten eines eintreffenden Laserstrahls, wobei das optische System umfasst:- eine Strahlaufspaltungseinrichtung (56) zum Aufspalten eines eintreffenden Laserstrahls (54) in einen ersten Teilstrahl (64) und einen zweiten Teilstrahl (66), sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls (64) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls (54) entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls (66) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls (54) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen;- eine im Strahlengang des ersten Teilstrahls (64) oder des zweiten Teilstrahls (66) angeordnete Umpolarisierungseinrichtung zum Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls (64) oder des zweiten Teilstrahls (66) um 90°;- eine Strahlvereinigungseinrichtung (68) zum koaxialen Vereinigen des ersten Teilstrahls (64) und des zweiten Teilstrahls (66) zu einem vereinigten Laserstrahl, wobei die Vorrichtung ferner umfasst:- eine dem optischen System nachgelagerte Treppenspiegelanordnung (104), welche dazu eingerichtet ist, ein Strahlparameterprodukt des vereinigten Laserstrahls (70) durch Aufteilen des vereinigten Laserstrahls (70) in zwei oder mehrere Teilstrahlen zu verringern; und- eine der Treppenspiegelanordnung nachgelagerte Beleuchtungslinienoptik, welche dazu eingerichtet ist, die zwei oder mehrere Teilstrahlen unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik (42) und einer Abbildungseinrichtung (18) als eine Beleuchtungslinie abzubilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Verarbeiten mindestens eines eintreffenden Laserstrahls, insbesondere beispielsweise für sogenannte Laser Lift Off Anwendungen oder für eine Anlage zur Bearbeitung von Dünnfilmschichten. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines eintreffenden Laserstrahls.
Die im Folgenden vorgestellt Technik dient allgemein der Verarbeitung und Verbesserung mindestens einer Eigenschaft eines eintreffenden Laserstrahls für die Anschließende Weiterverarbeitung des Laserstrahls, insbesondere für Laserbearbeitungstechnologien im weitesten Sinne, wie beispielsweise Laser Lift Off Anwendungen oder die Bearbeitung von Dünnfilmschichten.
Die im Folgenden vorgestellte Technik kann somit beispielsweise im Zusammenhang mit Laser Lift Off Anwendungen eingesetzt werden. Laser Lift Off Anwendungen lösen Kunststoffsubstrate von einem Glasträger. Dabei wird eine Laserlinie (d. h. eine Beleuchtungslinie) durch ein transparentes Glas auf ein Kunststoffsubstrat fokussiert. Die Verklebung wird mit dem Laserstrahl aufgelöst und das Kunststoffsubstrat auf diese Weise berührungslos von dem Glassubstrat getrennt. Zum Beispiel flexible OLED-Displays werden auf PI-Folien hergestellt, die auf Glasplatten für die Herstellung aufgeklebt sind. Nach der Herstellung, die z. B. Aufdampf- und Photolithographieprozesse beinhaltet, wird das Display-Substrat vom Glasträger mit Hilfe eines Laser Lift Off (LLO) Prozesses gelöst. Für diese Prozesse werden gepulste Festkörperlaser, die beispielsweise 343 nm und 355 nm Laserlicht emittieren und von der Polyimidschicht bzw. einer Klebeschicht gut absorbiert werden, dennoch für das Glas nahezu transparent sind, eingesetzt.
Eine mögliche Anwendung eines LLO Prozesses besteht beispielsweise in der Ablösung flexibler OLED-Display-Substrate von einem Glasträger. Hierbei sind auf einer ebenen Glasplatte von z. B. 0,5 mm Dicke Polyimid-Filme von mehreren 10-100 µm aufgeklebt, auf denen OLED-Display Strukturen aufgebaut werden. Nach Fertigstellung der Displayfolie muss diese vom Glasträger abgenommen werden. Dazu wird eine Laserlinie durch das für 343 nm oder 355 nm transparente Glas auf die Kunststofffolie fokussiert. Bei typischen Energiedichten von 100-500 mJ/cm² wird die Verklebung gelöst indem eine 20-50 µm breite Linie mit einer Geschwindigkeit von 50-300 mm/s darüber hinwegbewegt wird. Das Kunststoffsubstrat bleibt dabei unbeschädigt und das flexible OLED Displaysubstrat kann für die Weiterverarbeitung z. B. in Smartphones verwendet werden.
Ein anderer Anwendungsfall der vorgestellten Technik betrifft die Bearbeitung von Dünnfilmschichten. Für die Kristallisation von Dünnfilmschichten beispielsweise für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (im Englischen: Thin Film Transistor; kurz: TFT) werden Laser eingesetzt. Als zu bearbeitender Halbleiter kommt insbesondere Silizium (kurz: Si), genauer a-Si zum Einsatz. Die Dicke der Halbleiterschicht beträgt z. B. 50 nm, welche sich typischerweise auf einem Substrat (z. B. Glassubstrat) oder einem sonstigen Träger befindet.
Die Schicht wird mit dem Licht des Lasers, beispielsweise eines gepulsten Festkörperlasers, beleuchtet. Dabei wird das Licht mit einer Wellenlänge von z. B. 532 nm oder 515 nm zu einer Beleuchtungslinie geformt, siehe z. B. DE 10 2012 007 601 A1 oder WO 2013/156384 A1 . Seit einigen Jahren werden auch Laser mit der Wellenlänge 343 nm und 355 nm für diese Prozesse eingesetzt. Anhand einer Strahlformungseinrichtung kann der Laserstrahl derart geformt werden, dass ein Strahlprofil des Laserstrahls eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist. Anschließend kann anhand einer im Strahlengang des Laserstrahls der Strahlformungseinrichtung nachgeordneten Abbildungseinrichtung der so geformte Laserstrahl abgebildet werden, um die Beleuchtungslinie aus dem Licht des Laserstrahls zu erzeugen. Ein entsprechendes optisches System ist beispielsweise in der DE 10 2015 002 537 A1 beschrieben.
Im Einzelnen: Die Strahlformungseinrichtung kann beispielsweise eine anamorphotische Optik umfassen und bezüglich einer ersten und einer zweiten Abbildungsachse unterschiedliche Abbildungseigenschaften aufweisen. Insbesondere kann die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet sein, an einem Ort direkt vor der Abbildungseinrichtung aus Laserlicht einen Laserstrahl zu erzeugen, dessen Strahlprofil eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist, wobei das Strahlprofil in der langen Achse eine (weitestgehend) homogenisierte (oder im Wesentlichen homogene) Intensitätsverteilung aufweist. Die Abbildungseinrichtung fokussiert dann (insbesondere ausschließlich) die kurze Achse des von der Strahlformungseinrichtung direkt vor der Abbildungseinrichtung erzeugten Strahlprofils, um die kurze Achse der Beleuchtungslinie zu erzeugen. Jedoch weist die Abbildungseinrichtung insbesondere hinsichtlich der langen Achse (im Wesentlichen) keinerlei fokussierende Eigenschaften auf, sodass die lange Achse des von der Strahlformungseinrichtung direkt vor der Abbildungseinrichtung erzeugten Strahlprofils quasi unverändert durch die Abbildungseinrichtung hindurchtreten und damit der langen Achse der Beleuchtungslinie entsprechen kann.
Die Beleuchtungslinie weist demnach, wie das zuvor geformte Strahlprofil des Laserstrahls auch, eine kurze Achse und eine lange Achse auf, wobei - zum Zwecke der Klarstellung - insbesondere die kurze Achse des Strahlprofils des Laserstrahls vor Abbildung durch die Abbildungseinrichtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie entspricht und die lange Achse des Strahlprofils der (homogenisierten) langen Achse der Beleuchtungslinie entspricht. Die Intensitätsverteilung der Beleuchtungslinie entlang der langen Achse ist idealerweise rechteckförmig und weist beispielsweise eine Länge (oder Halbwertsbreite; im Englischen: Full Width at Half Maximum, kurz: FWHM) von mehreren 100 mm, z. B. 750 mm bis 1000 mm oder länger, auf. Die Intensitätsverteilung entlang der kurzen Achse ist typischerweise gaußförmig und weist eine FWHM von etwa 5 µm bis 100 µm auf. Die kurze und die lange Achse bilden also ein relativ hohes Aspektverhältnis.
Die Beleuchtungslinie wird mit einem Vorschub von ca. 1 mm/s bis 50 mm/s, vorzugsweise 10 mm/s bis 20 mm/s in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht geführt. Die Intensität (im Fall von Dauerstrichlasern) bzw. die Pulsenergie (im Fall von gepulsten Lasern) des Lichtstrahls wird derart eingestellt, dass die Halbleiterschicht kurzzeitig (d. h. auf einer Zeitskala von etwa 50 ns bis 100 µs) aufschmilzt und sich als kristalline Schicht mit verbesserten elektrischen Eigenschaften wieder verfestigt.
Neben den oben geschilderten Anwendungsgebieten im Zusammenhang mit LLO und der Herstellung von Dünnfilmtransistoren existieren eine Reihe weitere Anwendungsgebiete, in welchen die Erzeugung einer Beleuchtungslinie mit hohem Aspektverhältnis zur Beleuchtung eines Substrats erforderlich ist.
Bei der Erzeugung einer der oben geschilderten Beleuchtungslinien ist insbesondere die Schärfentiefe der Beleuchtungslinie in Bezug auf die Fokussierung entlang ihrer kurzen Achse von großer Bedeutung. So können beispielsweise Schwankungen in der Dicke und/oder der Position des beleuchteten Substrats dazu führen, dass sich die zu beleuchtende Oberfläche des Substrats nicht mehr im Fokus der Beleuchtungslinie befindet, was zu einer uneinheitlichen bzw. variierenden Beleuchtungsintensität und somit zu einer uneinheitlichen Qualität der durchgeführten Beleuchtung führen kann. Unter einer nicht ausreichenden Schärfentiefe kann somit die Qualität des durch die Beleuchtung erzeugten Prozesses und somit des Endprodukts deutlich leiden.
CN 102736250 A offenbart eine Vorrichtung zum Justieren von Laserstrahlen einer CO2-Laservorrichtung, bei der ein Laserstrahl zunächst aufgeteilt und anschließend wieder vereinigt wird.
DE 10 2006 050 155 A1 offenbart optische Anordnungen zur Formung von Strahlen, bei denen mindestens eine Verzögerungsplatte zur Aufteilung des Strahls mit unterschiedlichen Polarisationen verwendet wird. Die Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisationen werden räumlich überlagert.
Vor dem oben geschilderten Hintergrund ist es wünschenswert, einen oder mehrere Laserstrahlen bereitzustellen, welche so verarbeitet und verbessert wurden, dass sich aus ihnen ein zumindest entlang einer Achse fokussierter Laserstrahl (insbesondere eine Beleuchtungslinie) erzeugen lässt, wobei die Schärfentiefe des erzeugten Fokus verbessert ist und wobei ein Profil des fokussierten Strahls entlang der kurzen (fokussierten) Strahlachse weitgehend symmetrisch ist.
Insbesondere ist es wünschenswert, aus einem eintreffenden Laserstrahl einen Laserstrahl zu erzeugen, dessen Strahlparameterprodukt entlang zumindest einer Achse verringert ist und dessen Strahlprofil bezüglich dieser Achse weitgehend symmetrisch ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optisches System zum Verarbeiten mindestens eines eintreffenden Laserstrahls anzugeben, welches dazu eingerichtet ist, den mindestens einen eintreffenden Laserstrahl dahingehend zu verarbeiten, dass ein ausgehender Laserstrahl erzeugt wird, dessen Strahlparameterprodukt entlang zumindest einer Achse verringert ist und dessen Strahlprofil bezüglich dieser Achse weitgehend symmetrisch ist.
Diese Aufgabe wird anhand eines optischer Vorrichtung nach Anspruch 1, anhand eines optischen Systems nach Anspruch 7 und anhand eines Verfahrens nach Anspruch 13 und Anspruch 14 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein optisches System zum Verarbeiten eines eintreffenden Laserstrahls. Das optische System umfasst eine Strahlaufspaltungseinrichtung zum Aufspalten eines eintreffenden Laserstrahls in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl, sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen. Das optische System umfasst ferner eine im Strahlengang des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls angeordnete Umpolarisierungseinrichtung zum Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls um 90° und eine Strahlvereinigungseinrichtung zum koaxialen Vereinigen des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls zu einem vereinigten Laserstrahl.
Die Strahlaufspaltungseinrichtung kann beispielsweise einen Spiegel umfassen. Der Spiegel kann teilweise so in den Strahlengang des eintreffenden Laserstrahls hineinragen, dass ein vorbestimmter Anteil, d. h. ein zweiter Teilstrahl mit einem vorbestimmten Querschnitt, von dem eintreffenden Laserstrahl abgespalten wird. Der verbleibende Teilstrahl des eintreffenden Laserstrahls entspricht in diesem Fall dem ersten Teilstrahl. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls weichen beispielsweise so voneinander ab, dass sich der Querschnitt des eintreffenden Laserstrahls aus dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt zusammensetzt, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt im eintreffenden Laserstrahl keinen Überlapp miteinander aufweisen.
Die Umpolarisierungseinrichtung umfasst beispielsweise ein Lambda/2-Plättchen, welches dazu eingerichtet ist, linear polarisiertes Licht einer vorbestimmten Wellenlänge Lambda (insbesondere die Wellenlänge des eintreffenden Laserstrahls) um 90° zu drehen. Insbesondere kann die Umpolarisierungseinrichtung dazu eingerichtet sein, die Polarisation eines linear polarisierten Teilstrahls so umzupolarisieren (d. h. um die Strahlachse zu drehen), dass dieser seine Polarisation in Bezug auf die Strahlvereinigungseinrichtung von s-polarisiert zu p-polarisiert oder von p-polarisiert zu s-polarisiert ändert.
Die Strahlvereinigungseinrichtung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die beiden Teilstrahlen so miteinander zu vereinigen, dass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls nach der Vereinigung weitestgehend überlappen. Anders ausgedrückt kann eine Überlappfläche des Querschnitts des ersten Teilstrahls und des Querschnitts des zweiten Teilstrahls maximal gewählt werden.
Durch die oben geschilderte Überlagerung des ersten Teilstrahls mit dem zweiten Teilstrahl kann ein Strahlparameterprodukt des vereinigten Laserstrahls im Vergleich zu dem eintreffenden Laserstrahl entlang einer ersten Achse halbiert werden, wobei das Strahlparameterprodukt entlang einer senkrecht zu der ersten Achse verlaufenden Achse konstant gehalten wird. Wenn der vereinigte Laserstrahl anschließend entlang der ersten Achse, deren Strahlparameterprodukt halbiert wurde, fokussiert wird, so wird die Schärfentiefe dieser Fokussierung im Vergleich zu einer Fokussierung des eintreffenden Laserstrahls verbessert. Ferner kann eine Intensitätsverteilung des vereinigten Laserstrahls erzeugt werden, mit einem flachen Profil oder Minimum in der Mitte, welche sich besonders eignet zur weiteren effizienten Strahlparameterproduktverkleinerung beispielsweise mithilfe einer Treppenspiegelanordnung.
Das optische System kann ferner eine Strahlerzeugungseinrichtung umfassen, zum Erzeugen des eintreffenden Laserstrahls, sodass der eintreffende Laserstrahl linear polarisiert ist. Die Strahlvereinigungseinrichtung kann einen Polarisator (insbesondere einen Dünnschichtpolarisator) umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, einen der beiden Teilstrahlen (erster Teilstrahl und zweiter Teilstrahl) transmittieren zu lassen und den anderen der beiden Teilstrahlen zu reflektieren, sodass der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl vereinigt werden.
Die Strahlerzeugungseinrichtung kann beispielsweise eine Laserstrahlquelle und, optional, einen nachgeordneten Linearpolarisator umfassen, sodass der Laserstrahl, welcher von der Strahlerzeugungseinrichtung ausgegeben wird, linear entlang einer vorbestimmten Polarisationsachse (z. B. x-Achse oder y-Achse) polarisiert ist.
Bei dem Polarisator der Strahlvereinigungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Dünnschichtpolarisator (auch: Dünnfilmpolarisator) handeln. Insbesondere kann der Polarisator dazu eingerichtet sein, in Bezug auf den Polarisator p-polarisiertes Licht zu transmittieren und s-polarisiertes Licht zu reflektieren. Der Konvention entsprechend handelt es sich bei p-polarisiertem (parallel polarisiertem) Licht um linear polarisiertes Licht, dessen elektrisches Feld (E-Feld) in der Einfallsebene des zugehörigen Lichtstrahls in Bezug auf den Polarisator liegt. Entsprechend handelt es sich bei s-polarisiertem (senkrecht polarisiertem) Licht um linear polarisiertes Licht, dessen elektrisches Feld senkrecht zu der oben genannten Einfallsebene liegt.
Die Umpolarisierungseinrichtung ist somit entweder in dem ersten Teilstrahl oder in dem zweiten Teilstrahl vorgesehen, damit die ursprüngliche lineare Polarisation des eintreffenden Laserstrahls in diesem Teilstrahl um 90° gedreht wird. Somit trifft auf die Strahlvereinigungseinrichtung ein Teilstrahl, welcher in Bezug auf die Strahlvereinigungseinrichtung s-polarisiert ist und ein Teilstrahl, welcher in Bezug auf die Strahlvereinigungseinrichtung p-polarisiert ist. Der p-polarisierte Teilstrahl wird von der Strahlvereinigungseinrichtung transmittieren und der s-polarisierte Teilstrahl wird reflektiert. Somit ergibt sich ein vereinigter Laserstrahl, dessen Strahlrichtung entlang des transmittieren p-polarisierten Teilstrahls verläuft.
Das optische System kann mindestens eine Strahlumlenkungseinrichtung umfassen, welche dazu eingerichtet ist, den Teilstrahl, welcher an dem Polarisator reflektiert wird, so auf den Polarisator zu lenken, dass dieser Teilstrahl unter einem Brewster-Winkel des Polarisators (insbesondere bezogen auf die Wellenlänge des Teilstrahls) auf den Polarisator auftrifft.
Die Strahlungslenkungseinrichtung kann beispielsweise einen Spiegel umfassen. Der Brewster-Winkel ist als Einfallswinkel des Laserstrahls in Bezug auf eine Flächennormale der Strahlvereinigungseinrichtung definiert. Für synthetischen Quarz bei der Wellenlänge von 343 nm beträgt der Brewster-Winkel beispielsweise 56°. Somit kann der Teilstrahl beispielsweise unter einem Einfallswinkel von 56° auf den Polarisator auftreffen. Somit kann ein Polarisator verwendet werden, welcher lediglich auf einer Seite eine Beschichtung aufweist.
Die Strahlaufspaltungseinrichtung kann einen Spiegel umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl aus dem eintreffenden Laserstrahl heraus zu reflektieren, sodass der zweite Teilstrahl abgelenkt wird und ein verbleibender Anteil des eintreffenden Lichtstrahls den ersten Teilstrahl darstellt.
Der Spiegel kann beispielsweise eine gerade Kante umfassen, entlang welcher der eintreffende Laserstrahl aufgeteilt wird.
Die Strahlaufspaltungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den eintreffenden Laserstrahl entlang einer durch eine mittlere Strahlachse des eintreffenden Laserstrahls verlaufenden Geraden aufzuteilen, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Eine Querschnittsfläche des ersten Teilstrahls sowie eine Querschnittsfläche des zweiten Teilstrahls können somit beispielsweise einem Halbkreis oder einem halbierten Oval (beispielsweise einer halbierten Ellipse) entsprechen.
Das optische System kann ferner eine Strahlerzeugungseinrichtung umfassen, zum Erzeugen des eintreffenden Laserstrahls, sodass der eintreffende Laserstrahl eine ovale Querschnittsfläche mit einer langen Achse und einer kurzen Achse aufweist. Die Strahlaufspaltungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den eintreffenden Laserstrahl entlang seiner langen Achse aufzuteilen. Alternativ kann die Strahlaufspaltungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den eintreffenden Laserstrahl entlang seiner kurzen Achse aufzuteilen.
Die Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie umfasst erfindungsgemäß ferner eine dem optischen System nachgelagerte Treppenspiegelanordnung, welche dazu eingerichtet ist, ein Strahlparameterprodukt des vereinigten Laserstrahls durch Aufteilen des vereinigten Laserstrahls in zwei oder mehrere Teilstrahlen zu verringern und eine der Treppenspiegelanordnung nachgelagerte Beleuchtungslinienoptik, welche dazu eingerichtet ist, die zwei oder mehrere Teilstrahlen unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik und einer Abbildungseinrichtung als eine Beleuchtungslinie abzubilden.
„Dem optischen System nachgelagert“ bedeutet hierbei, dass die Treppenspiegelanordnung im Strahlengang nach bzw. hinter dem optischen System angeordnet ist. Die Treppenspiegelanordnung kann beispielsweise ausgestaltet sein, wie in einemder folgenden Dokumente beschrieben: Liao, Yan (u.a.): Applied Optics, Vol. 36, 1997, No. 24, S. 5872-5875, DE 103 31 442 A1 und DE 20 2005 021 171 U1 . Die Treppen- spiegelanordnung kann so ausgestaltet sein, dass sie den vereinigten Laserstrahl entlang einer Achse aufteilt, welche durch die Beleuchtungslinienoptik als kurze Achse abgebildet wird. Anders ausgedrückt kann die Treppenspiegelanordnung dazu eingerichtet sein, den Teilstrahl entlang einer Achse aufzuteilen, entlang dieser zuvor durch die Strahlaufspaltungseinrichtung aufgeteilt wurde. Somit kann das Strahlparameterprodukt entlang dieser Achse weiter verringert werden. Die Beleuchtungslinienoptik kann beispielsweise eine oder mehrere Zylinderlinsen aufweisen und insbesondere eines oder mehrere der in der DE 10 2015 002 537 A1 beschrieben opti- schen Elemente zur Erzeugung einer Beleuchtungslinie umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein optisches System zum Verarbeiten eines ersten eintreffenden Laserstrahls und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls bereitgestellt. Das optische System umfasst eine erste Strahlaufspaltungseinrichtung zum Aufspalten eines ersten eintreffenden Laserstrahls in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl, sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen, eine im Strahlengang des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls angeordnete erste Umpolarisierungseinrichtung zum Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls um 90°, eine erste Strahlvereinigungseinrichtung zum Vereinigen des zweiten Teilstrahls und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls zu einem ersten vereinigten Laserstrahl, eine zweite Strahlaufspaltungseinrichtung zum Aufspalten des ersten vereinigten Laserstrahls in einen dritten Teilstrahl und einen vierten Teilstrahl, sodass ein Querschnitt des dritten Teilstrahls einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls entspricht und ein Querschnitt des vierten Teilstrahls einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen und wobei der zweite Teilstrahl des ersten eintreffenden Laserstrahls vollständig im dritten Teilstrahl des ersten vereinigten Laserstrahls enthalten ist, eine im Strahlengang des vierten Teilstrahls angeordnete zweite Umpolarisierungseinrichtung zum Drehen einer Polarisation des vierten Teilstrahls um 90° und eine zweite Strahlvereinigungsvorrichtung zum Vereinigen des vierten Teilstrahls und des ersten Teilstrahls zu einem zweiten vereinigten Laserstrahl.
Die obigen Ausführungen bezüglich des ersten Aspekts können ebenso - soweit möglich - auf das optische System gemäß dem zweiten Aspekt zutreffen.
Insbesondere können die erste Strahlaufspaltungseinrichtung und die zweite Strahlaufspaltungseinrichtung beispielsweise jeweils einen Spiegel umfassen. Der Spiegel kann teilweise so in den Strahlengang des eintreffenden Laserstrahls hineinragen, dass ein vorbestimmter Anteil, d. h. ein zweiter Teilstrahl bzw. ein vierter Teilstrahl mit jeweils einem vorbestimmten Querschnitt, von dem eintreffenden Laserstrahl bzw. von dem ersten vereinigten Laserstrahl abgespalten wird. Der verbleibende Teilstrahl des eintreffenden Laserstrahls entspricht in diesem Fall dem ersten Teilstrahl. Der verbleibende Teilstrahl des ersten vereinigten Laserstrahls entspricht dem dritten Teilstrahl. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls weichen beispielsweise so voneinander ab, dass sich der Querschnitt des eintreffenden Laserstrahls aus dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt zusammensetzt, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt keinen Überlapp miteinander aufweisen.
Die erste Umpolarisierungseinrichtung und die zweite Umpolarisierungseinrichtung umfassen beispielsweise jeweils ein Lambda/2-Plättchen, welches dazu eingerichtet ist, linear polarisiertes Licht einer vorbestimmten Wellenlänge Lambda (insbesondere die Wellenlänge der jeweiligen auf das Lambda/2-Plättchen auftreffenden Laserstrahlung) um 90° zu drehen. Insbesondere können die Umpolarisierungseinrichtungen jeweils dazu eingerichtet sein, die Polarisation eines linear polarisierten (Teil-) Strahls so umzupolarisieren, dass dieser seine Polarisation in Bezug auf die erste oder zweite Strahlvereinigungseinrichtung von s-polarisiert zu p-polarisiert oder von p-polarisiert zu s-polarisiert ändert.
Die erste Strahlvereinigungseinrichtung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, den zweiten Teilstrahl und den zweiten eintreffenden Laserstrahl so miteinander zu vereinigen, dass ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls und ein Querschnitt eines Abschnitts des zweiten eintreffenden Laserstrahls, welcher nach der Abspaltung durch die zweite Strahlaufspaltungseinrichtung dem dritten Teilstrahl entspricht, weitestgehend überlappen. Ferner kann die zweite Strahlvereinigungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den ersten Teilstrahl und den vierten Teilstrahl so miteinander zu vereinigen, dass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls und ein Querschnitt des vierten Teilstrahls weitestgehend überlappen.
Durch die oben geschilderten Überlagerungen mithilfe der ersten Strahlvereinigungseinrichtung und der zweiten Strahlvereinigungseinrichtung wird ein ausgehender dritter Teilstrahl und ein ausgehender zweiter vereinigter Laserstrahl erzeugt. Ein Strahlparameterprodukt dieser ausgehenden Strahlen im Vergleich zu den beiden eintreffenden Laserstrahlen kann entlang einer Achse halbiert werden, wobei das Strahlparameterprodukt entlang einer senkrecht zu der einen Achse verlaufenden Achse konstant gehalten wird. Wenn die ausgehenden Laserstrahlen anschließend entlang der einen Achse, deren Strahlparameterprodukt halbiert wurde, fokussiert werden, so kann eine Schärfentiefe dieser Fokussierung im Vergleich zu einer Fokussierung der eintreffenden Laserstrahlen verbessert werden. Ferner kann eine Intensitätsverteilung der ausgehenden Laserstrahlen erzeugt werden, mit jeweils einem flachen Profil oder Minimum in der Mitte, welche sich besonders eignet zur weiteren effizienten Strahlparameterproduktverkleinerung beispielsweise mithilfe einer Treppenspiegelanordnung.
Das optische System kann ferner umfassen eine erste Strahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des ersten eintreffenden Laserstrahls, sodass der erste eintreffende Laserstrahl linear polarisiert ist, und eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des zweiten eintreffenden Laserstrahls, sodass der zweite eintreffende Laserstrahl linear polarisiert ist. Die erste Strahlvereinigungseinrichtung kann einen Polarisator umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, den zweiten eintreffenden Laserstrahl transmittieren zu lassen und den zweiten Teilstrahl zu reflektieren, sodass der zweite eintreffende Laserstrahl und der zweite Teilstrahl vereinigt werden. Die zweite Strahlvereinigungseinrichtung kann einen Polarisator umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, den ersten Teilstrahl transmittieren zu lassen und den vierten Teilstrahl zu reflektieren, sodass der erste Teilstrahl und der vierte Teilstrahl vereinigt werden. Der zweite eintreffende Laserstrahl kann bezüglich des Polarisators der ersten Strahlvereinigungsvorrichtung p-polarisiert sein. Der erste eintreffende Laserstrahl kann bezüglich des Polarisators der ersten Strahlvereinigungsvorrichtung p-polarisiert sein, wobei die erste Umpolarisierungseinrichtung im zweiten Teilstrahl angeordnet ist. Alternativ kann der erste eintreffende Laserstrahl bezüglich des Polarisators der zweiten Strahlvereinigungsvorrichtung s-polarisiert sein, wobei die erste Umpolarisierungseinrichtung im ersten Teilstrahl angeordnet ist.
Somit können die Umpolarisierungseinrichtungen so in den jeweiligen Teilstrahlen angeordnet sein, dass jeweils ein p-polarisierter Laserstrahl und ein s-polarisierter Laserstrahl auf die erste Strahlvereinigungseinrichtung und die zweite Strahlvereinigungseinrichtung treffen, um von diesen vereinigt zu werden.
Das optische System kann so angeordnet sein, dass der zweite Teilstrahl unter einem Brewster-Winkel des Polarisators der ersten Strahlvereinigungseinrichtung auf diesen Polarisator trifft. Das optische System kann ferner so angeordnet sein, dass der vierte Teilstrahl unter einem Brewster-Winkel des Polarisators der zweiten Strahlvereinigungseinrichtung auf diesen Polarisator trifft.
Die erste Strahlaufspaltungseinrichtung kann einen Spiegel umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl aus dem ersten eintreffenden Laserstrahl heraus zu reflektieren, sodass der zweite Teilstrahl abgelenkt wird und ein verbleibender Anteil des ersten eintreffenden Lichtstrahls den ersten Teilstrahl darstellt. Ferner kann die zweite Strahlaufspaltungseinrichtung einen Spiegel umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, den vierten Teilstrahl aus dem ersten vereinigten Laserstrahl heraus zu reflektieren, sodass der vierte Teilstrahl abgelenkt wird und ein verbleibender Anteil des ersten vereinigten Lichtstrahls den dritten Teilstrahl darstellt.
Die erste Strahlaufspaltungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den ersten eintreffenden Laserstrahl entlang einer durch eine mittlere Strahlachse des ersten eintreffenden Laserstrahls verlaufenden Geraden aufzuteilen, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen. Ferner kann die zweite Strahlaufspaltungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den ersten vereinigten Laserstrahl entlang einer durch eine mittlere Strahlachse des ersten vereinigten Laserstrahls verlaufenden Geraden aufzuteilen, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst das optische System gemäß dem zweiten Aspekt. Die Vorrichtung umfasst ferner eine dem optischen System nachgelagerte Treppenspiegelanordnung, welche dazu eingerichtet ist, ein Strahlparameterprodukt des dritten Teilstrahls und des zweiten vereinigten Laserstrahls durch Aufteilen des dritten Teilstrahls und des zweiten vereinigten Laserstrahls jeweils in zwei oder mehrere Teilstrahlen zu verringern, und eine der Treppenspiegelanordnung nachgelagerte Beleuchtungslinienoptik, welche dazu eingerichtet ist, die jeweils zwei oder mehrere Teilstrahlen unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik und einer Abbildungseinrichtung als eine gemeinsame Beleuchtungslinie abzubilden.
Die Treppenspiegelanordnung kann so ausgestaltet sein, dass sie den dritten Teilstrahl und den zweiten vereinigten Laserstrahl entlang einer Achse aufteilt, welche durch die Beleuchtungslinienoptik als kurze Achse abgebildet wird. Anders ausgedrückt kann die Treppenspiegelanordnung dazu eingerichtet sein, den dritten Teilstrahl und den zweiten vereinigten Laserstrahl entlang einer Achse aufzuteilen, entlang dieser zuvor durch die Strahlaufspaltungseinrichtungen aufgeteilt wurde. Somit kann das Strahlparameterprodukt entlang dieser Achse weiter verringert werden.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zum Verarbeiten eines eintreffenden Laserstrahls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Aufspalten eines eintreffenden Laserstrahls in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl, sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen, Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls um 90° und koaxiales Vereinigen des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls zu einem vereinigten Laserstrahl. Das Verfahren umfasst ferner Verringern eines Strahlparameterprodukts des vereinigten Laserstrahls durch Aufteilen des vereinigten Laserstrahls in zwei oder mehrere Teilstrahlen mithilfe einer Treppenspiegelanordnung und Abbilden der zwei oder mehreren Teilstrahlen als eine Beleuchtungslinie unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik und einer Abbildungseinrichtung.
Sämtliche der oben geschilderten Details der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt können entsprechend auf das Verfahren gemäß dem vierten Aspekt angewendet werden. Die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt kann dazu eingerichtet sein, das Verfahren gemäß dem vierten Aspekt durchzuführen.
Gemäß einem fünften Aspekt wird ein Verfahren zum Verarbeiten eines ersten eintreffenden Laserstrahls und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Aufspalten eines ersten eintreffenden Laserstrahls in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl, sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen, Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls um 90°, Vereinigen des zweiten Teilstrahls und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls zu einem ersten vereinigten Laserstrahl, Aufspalten des ersten vereinigten Laserstrahls in einen dritten Teilstrahl und einen vierten Teilstrahl, sodass ein Querschnitt des dritten Teilstrahls einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls entspricht und ein Querschnitt des vierten Teilstrahls einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen und wobei der zweite Teilstrahl des ersten eintreffenden Laserstrahls vollständig im dritten Teilstrahl des ersten vereinigten Laserstrahls enthalten ist, Drehen einer Polarisation des vierten Teilstrahls um 90° und Vereinigen des vierten Teilstrahls und des ersten Teilstrahls zu einem zweiten vereinigten Laserstrahl.
Sämtliche der oben geschilderten Details des optischen Systems gemäß dem zweiten Aspekt können entsprechend auf das Verfahren gemäß dem fünften Aspekt angewendet werden. Das optische System gemäß dem zweiten Aspekt kann dazu eingerichtet sein, das Verfahren gemäß dem fünften Aspekt durchzuführen.
Obwohl die Anordnung des optischen Systems der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt von der Anordnung des optischen Systems gemäß dem zweiten Aspekt abweicht, ist zu beachten, dass beiden Aspekten derselbe Grundgedanke zur Lösung desselben Problems zugrunde liegt, nämlich einer Verringerung des Strahlparameterprodukts entlang einer Achse bei gleichbleibendem Strahlparameterprodukt entlang einer zu der einen Achse senkrechten Achse. In beiden optischen Systemen kann ein Strahlparameterprodukt entlang einer Achse halbiert werden, bei gleichbleibendem Strahlparameterprodukt entlang einer zu der einen Achse senkrechten Achse. Gemäß dem optischen System der Vorrichtung des ersten Aspekts geschieht dies durch Abspaltung eines Teilstrahls von einem eintreffenden Laserstrahl und Überlagerung des abgespaltenen Teilstrahls mit einem verbleibenden Teilstrahl des eintreffenden Laserstrahls. Gemäß dem optischen
System des zweiten Aspekts geschieht dies durch Abspaltung eines Teilstrahls von einem ersten eintreffenden Laserstrahl und Überlagerung des abgespaltenen Teilstrahls mit einem verbleibenden Teilstrahl eines zweiten eintreffenden Laserstrahls, wobei vom zweiten eintreffenden Laserstrahl ebenso ein Teilstrahl abgespalten wird und einem verbleibenden Teilstrahl des ersten eintreffenden Laserstrahls überlagert wird.
Das oben Gesagte gilt entsprechend für die Verfahren gemäß dem vierten Aspekt und dem fünften Aspekt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, von denen

1a, 1b eine schematische Übersichtsdarstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie aus unterschiedlichen Blickrichtungen zeigen, wobei die hierin beschriebenen optischen Systeme in diese Vorrichtung integriert werden können,
2 Details der Homogenisierung des Laserstrahls und der Erzeugung der langen Strahlachse gemäß 1a zeigt,
3 eine typische Fokussierung eines Laserstrahls mit einer bestimmten Beugungsmaßzahl und die dadurch entstehende Strahltaille am Ort z=0 zeigt,
4a die Strahlpropagation, ausgedrückt durch die Strahlbreite (FWHM), als Funktion von z für einen Laserstrahl mit FWHM₀ = 30 µm und M² = 25 zeigt,
4b die Strahlpropagation, ausgedrückt durch die Strahlbreite (FWHM), als Funktion von z für einen Laserstrahl mit FWHM₀ = 30 µm und M² = 10 zeigt,
5a eine schematische Querschnittsansicht eines Laserstrahls gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel zeigt, wobei der Laserstrahl aufgeteilt wird und die beiden Teilstrahlen nebeneinander positioniert werden,
5b eine perspektivische Darstellung des Strahlenverlaufs gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel von 5a zeigt,
5c eine Draufsicht des Strahlenverlaufs gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel von 5a zeigt,
6a eine perspektivische Darstellung des Strahlenverlaufs gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel zeigt,
6b eine schematische Querschnittsansicht des Laserstrahls gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel gemäß 6a zeigt,
7a eine Draufsicht des Strahlenverlaufs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, wobei ein Teilstrahl von einem eintreffenden Laserstrahl abgezweigt wird und nach Drehung der Polarisation um 90° dem verbleibenden Teilstrahl des eintreffenden Teilstrahls mithilfe eines Polarisators überlagert wird,
7b eine schematische Querschnittsansicht des Laserstrahls gemäß der ersten Ausführungsform nach 7a zeigt, wobei der Laserstrahl aufgeteilt wird und die beiden Teilstrahlen überlagert werden,
8 eine Draufsicht des Strahlenverlaufs gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, wobei ein Teilstrahl von einem eintreffenden Laserstrahl abgezweigt wird und dem verbleibenden Teilstrahl des eintreffenden Teilstrahls nach Drehung von dessen Polarisation um 90° mithilfe eines Polarisators überlagert wird,
9 eine Draufsicht des Strahlenverlaufs gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, wobei von zwei eintreffenden Laserstrahlen jeweils ein Teilstrahl abgezweigt wird und dem jeweils verbleibenden Teilstrahl des anderen eintreffenden Laserstrahls überlagert werden,
10 eine Draufsicht auf sechs eintreffende Laserstrahlen zeigt, wobei drei Anordnungen ähnlich zu der dritten Ausführungsform nach 9 nebeneinander angeordnet sind und die ausgehenden Laserstrahlen jeweils aufgeweitet werden,
11 eine perspektivische Ansicht des Strahlenverlaufs gemäß der dritten Ausführungsform mit einer nachgeschalteten Treppenspiegelanordnung zeigt und
12 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aus unterschiedlichen Blickrichtungen zeigt, wobei das optische System der 7a in die Vorrichtung der 1a, 1b integriert wurde.

Die 1a und 1b zeigen eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie. Die weiter unten im Detail diskutierten Ausführungsformen von optischen Systemen zum Verarbeiten mindestens eines eintreffenden Laserstrahls können beispielsweise in die Vorrichtung gemäß 1a, 1b integriert werden, wobei die daraus resultierenden Vorrichtungen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sind. Eine entsprechende Vorrichtung wird beispielsweise weiter unten im Zusammenhang mit 12 beschrieben.
Eine typische Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie ist in 1a, 1b gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 kann beispielsweise in einer Anlage zur Bearbeitung von Dünnfilmschichten eingesetzt werden. Die beschriebene Vorrichtung 10 kann jedoch auch für jede beliebige andere Anwendung verwendet werden, für welche eine Beleuchtungslinie benötigt wird. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Strahlformungseinrichtung 12, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl 14 derart zu formen, dass ein Strahlprofil 16 des Laserstrahls 14 eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist, sowie eine im Strahlengang des Laserstrahls 14 der Strahlformungseinrichtung 12 nachgeordnete Abbildungseinrichtung 18, die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserstrahl 14 als eine Beleuchtungslinie 22 abzubilden. Die Abbildungseinrichtung 18 erzeugt somit aus der durch die Strahlformungseinrichtung 12 gebildeten kurzen Achse des Laserstrahls 14 die kurze Achse der Beleuchtungslinie 22.
Per Konvention sollen in den Figuren die kurze Achse parallel zur x-Achse, die lange Achse parallel zur y-Achse und die optische Achse der Vorrichtung 10 parallel zur z-Achse verlaufen. In der 1a ist die Vorrichtung 10 beispielsweise von der Seite gesehen dargestellt (Blickrichtung entlang der x-Richtung), und in der 1b beispielsweise von oben gesehen dargestellt (Blickrichtung entlang der y-Richtung).
Die Strahlformungseinrichtung 12 kann beispielsweise die in 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte anamorphotische Optik 42 darstellen oder umfassen. Insbesondere kann die Strahlformungseinrichtung 12 eine oder mehrere der in 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigten Komponenten 20, 54, 56, 58, 62, 66, 68, 74 umfassen.
Mit anderen Worten: Die Strahlformungseinrichtung 12 kann durch eine (zur x-Achse des Koordinatensystems parallele) erste Abbildungsachse x, eine (zur y-Achse des Koordinatensystems parallele) zur ersten Abbildungsachse x senkrechte zweite Abbildungsachse y und eine zur ersten und zur zweiten Abbildungsachse x, y senkrechte (zur z-Achse des Koordinatensystems parallele) optische Achse z beschrieben werden. Die Strahlformungseinrichtung 12 (beispielsweise als anamorphotische Optik) hat bezüglich der ersten und der zweiten Abbildungsachse x, y unterschiedliche Abbildungseigenschaften. Die Strahlformungseinrichtung 12 kann dazu eingerichtet sein, am Ort „16“ vor der Abbildungseinrichtung 18 (siehe z. B. 1a, 1b) aus Laserlicht einen Laserstrahl 14 zu erzeugen, dessen Strahlprofil 16 eine lange Achse (y) und eine kurze Achse (x) aufweist, wobei das Strahlprofil in der langen Achse (y) eine weitestgehend homogenisierte (oder im Wesentlichen homogene) Intensitätsverteilung aufweist.
In Einzelnen: Die Strahlformungseinrichtung 12 kann (insbesondere als anamorphotische Optik) umfassen (siehe 1a, 1b):

- Eine erste Teleskopanordnung 20, welche in Bezug auf die kurze Achse x optisch wirksam ist, d. h. in Bezug auf die kurze Achse x eine Brechkraft aufweist. Die erste Teleskopanordnung 20 setzt sich zusammen aus einer ersten Zylinderlinse 23 und einer zweiten Zylinderlinse 24. Die erste Zylinderlinse 23 empfängt den Laserstrahl 14 von einer Laserstrahlquelle 26 und fokussiert diesen bezüglich der kurzen Achse x auf ein erstes Zwischenbild 28. Die zweite Zylinderlinse 24 ist im Strahlengang hinter der ersten Zylinderlinse 23 angeordnet und kollimiert die Lichtstrahlen des ersten Zwischenbilds 28. Wie in der 1b dargestellt ist, handelt es sich bei der ersten Teleskopanordnung 20 um ein 1:1-Teleskop, welches als Kepler-Teleskop ausgestaltet ist. Hierbei sind die erste Zylinderlinse 23 und die zweite Zylinderlinse 24 jeweils eine Sammellinse mit im Wesentlichen derselben Brennweite. Der bildseitige Brennpunkt der ersten Zylinderlinse 23 stimmt im Wesentlichen mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Zylinderlinse 24 überein.
- Eine im Strahlengang hinter der ersten Teleskopanordnung 20 angeordnete Zylinderlinse 30, welche in Bezug auf die lange Achse y eine Brechkraft aufweist. Die Zylinderlinse 30 empfängt den Laserstrahl 14, welcher in Bezug auf die lange Achse y von der ersten Teleskopanordnung 20 nicht beeinflusst wurde, von der Laserstrahlquelle 26 und fokussiert diesen auf ein Zwischenbild 32.
- Eine im Strahlengang hinter der Zylinderlinse 30 angeordnete Zylinderlinse 34, welche in Bezug auf die lange Achse y eine Brechkraft aufweist. Die Zylinderlinse 34 kollimiert die Lichtstrahlen des Zwischenbilds 32. Wie in der 1a dargestellt ist, bilden die Zylinderlinse 30 und die Zylinderlinse 34 ein Kepler-Teleskop, welches zur Aufweitung des Laserstrahls 14 bezüglich der langen Achse y dient.
- Eine im Strahlengang hinter der Zylinderlinse 34 angeordnete zweite Teleskopanordnung 36, welche in Bezug auf die kurze Achse x optisch wirksam ist, d. h. in Bezug auf die kurze Achse x eine Brechkraft aufweist. Die zweite Teleskopanordnung 36 setzt sich zusammen aus einer ersten Zylinderlinse 38 und einer im Strahlengang hinter der ersten Zylinderlinse 38 angeordneten zweiten Zylinderlinse 40. Die erste Zylinderlinse 38 weitet den Laserstrahl 14 bezüglich der kurzen Achse x auf und die zweite Zylinderlinse 40 kollimiert diesen aufgeweiteten Laserstrahl wieder. Wie in der 1b dargestellt ist, handelt es sich bei der zweiten Teleskopanordnung 36 um ein strahlaufweitendes Teleskop (z. B. ein 1:5-Teleskop), welches als Galileo-Teleskop ausgestaltet ist. Hierbei ist die erste Zylinderlinse 38 eine Zerstreuungslinse und die zweite Zylinderlinse 40 eine Sammellinse, wobei die Brennpunkte der ersten Zylinderlinse 38 und der zweiten Zylinderlinse 40 im Wesentlichen übereinstimmen bzw. übereinander liegen. Es entsteht ein virtuelles zweites Zwischenbild im Strahlengang vor der ersten Zylinderlinse 38 (nicht dargestellt).
- Eine im Strahlengang hinter der zweiten Teleskopanordnung 36 angeordnete anamorphotische Homogenisierungsoptik 42 zur (weitestgehenden) Homogenisierung des Laserstrahls 14 bezüglich der langen Achse y.
- Eine im Strahlengang hinter der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 42 angeordnete und in Bezug auf die lange Achse y Brechkraft aufweisende Kondensorzylinderlinse 44 zur Überlagerung der homogenisierten Laserstrahlen auf der Beleuchtungslinie 22.

Im Strahlengang hinter der Kondensorzylinderlinse 44 befindet sich die Abbildungseinrichtung 18. Die Abbildungseinrichtung 18 kann beispielsweise die in 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte Komponente 66 umfassen oder darstellen. Im letzteren Fall stellt die Abbildungseinrichtung 18 also beispielsweise eine Fokussierzylinderlinsenoptik 66 dar, die im Strahlengang hinter der Kondensorzylinderlinse 44 angeordnet ist und zur Fokussierung des Laserstrahls 14 bezüglich der Achse x auf die Beleuchtungslinie 22 dient.
Die der Strahlformungseinrichtung 12 nachgeordnete Abbildungseinrichtung 18 greift also das Strahlprofil 16 vor der Abbildungseinrichtung 18 auf und bildet den Laserstrahl 14 als die Beleuchtungslinie 22 ab, wobei lediglich (genauer: ausschließlich) die kurze Achse x des Strahlprofils 16, nicht jedoch die homogenisierte lange Achse y des Strahlprofils 16 fokussiert wird.
Die durch das optische System 10 erzeugte Beleuchtungslinie 22 kann für die Kristallisation von Dünnfilmschichten, beispielsweise für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (im Englischen: Thin Film Transistors; kurz: TFT) verwendet werden. Dabei wird eine zu bearbeitende Halbleiterschicht mit der Beleuchtungslinie 22 beaufschlagt und über die Halbleiterschicht geführt, wobei die Intensität der Beleuchtungslinie 22 derart eingestellt ist, dass die Halbleiterschicht kurzzeitig aufschmilzt und sich als kristalline Schicht mit verbesserten elektrischen Eigenschaften wieder verfestigt.
Wie oben geschildert wurde, werden zur Erzeugung einer Laser-Linienstrahlgeometrie anamorphotische optische Anordnungen genutzt. Dabei wird z. B. in der einen (langen) Strahlachse y der von der Laserstrahlquelle 26 emittierte Laserstrahl 14 homogenisiert mit Hilfe von Zylinderlinsenarrays. Die andere (kurze) Achse x wird als Gaußstrahl optisch verarbeitet und die Strahltaille der Laserstrahlquelle 26 in die Ebene der Homogenisierung übertragen. Eine typische Anordnung ist in 1a, 1b gezeigt und wurde oben detailliert erläutert.
In der zu homogenisierenden Achse y wird der Laserstrahl 14 zylindrisch aufgeweitet (typisch 2- bis 4-fach) und auf zwei aufeinander folgende Linsenarrays geführt, siehe 2. In der Brennweite der Kondensorzylinderlinse 44 entsteht die homogenisierte lange Strahlachse y. Bezüglich der kurzen Achse x wird die Strahltaille des in der Laserstrahlquelle 26 gebildeten Laserstrahls 14 mit einem zylindrischen 1:1 Teleskop 20 rekollimiert und mit einem weiteren Teleskop 36 aufgeweitet um mit dem Fokussierungsobjektiv 18 eine Gauß'sche kleine Strahlachse x gewünschter Breite zu erzeugen.
Für die Erzeugung von Linienstrahlen mit hohem Aspektverhältnis, wie oben Anhand der 1a bis 2 geschildert wurde, und insbesondere bei langen (100 mm bis 1000 mm und größer, entlang der langen Achse y) schmalen (10 bis 100 µm FWHM (Full Width at Half Maximum) entlang der kurzen Achse x) Linien ist die Schärfentiefe von großer Bedeutung. Für die Gauß'sche Strahlabbildung ist das Strahlparameterprodukt bzw. die Beugungsmaßzahl M² entscheidend für die Größe der Strahltaille, die eine Linse erzeugt und somit für die Schärfentiefe entlang der z-Achse. Je kleiner M² ist, desto größer ist die Schärfentiefe. Der Radius w₀ der Strahltaille eines Gaußstrahls in der Brennweite f einer Linse ergibt sich entsprechend der Formel (1): $w_{0} = 4 f λ M^{2} / (π d)$

w₀: Radius (1/e²) des fokussierten Laserstrahls auf Höhe der Strahltaille (z = 0)
d: Strahlradius (1/e²) auf Höhe der Linse (z = -f)
λ: Wellenlänge des Laserstrahls
M²: Beugungsmaßzahl des Laserstrahls
f: Brennweite der Linse

3 veranschaulicht die Fokussierung eines Laserstrahls gemäß der obigen Formel (1). In der Figur ist der Strahlradius d auf Höhe der Linse dargestellt, der Strahlradius w₀ auf Höhe der Brennweite der Linse (z = 0) und die Entwicklung der Strahltaille w(z) an einem beispielhaft gewählten Ort z. Ferner ist der Öffnungswinkel Theta des Strahls eingezeichnet.
Die Strahltaille w(z) entwickelt sich entlang der Propagationsrichtung z entsprechend der Formel (2): $w (z) = w_{0} {(1 + (λ M^{2} z) / (π w_{0}^{2}))}^{1 / 2}$

w(z): Radius (1/e²) des Laserstrahls an der Stelle z
w₀: Radius (1/e²) des Laserstrahls in der Strahltaille (z = 0)
λ: Wellenlänge des Laserstahls
M²: Beugungsmaßzahl des Laserstrahls
z: Propagationskoordinate

Die Entwicklung der Strahltaille (genauer gesagt des Radius der Strahltaille in FWHM) gemäß der obigen Formel (2) ist in den 4a und 4b veranschaulicht. 4a zeigt die Strahlpropagation, ausgedrückt durch die Strahlbreite (FWHM), als Funktion von z für einen Laserstrahl mit w₀ = 30 µm und M² = 25. 4b zeigt die Strahlpropagation, ausgedrückt durch die Strahlbreite (FWHM), als Funktion von z für einen Laserstrahl mit w₀ = 30 µm und M² = 10. Wie sich den Figuren leicht entnehmen lässt, weist der Strahl mit der geringeren Beugungsmaßzahl M² (4b) eine deutlich bessere Schärfentiefe auf, da sich - mit steigender Entfernung z von der Fokusposition z = 0 - der Strahlradius w(z) nicht so stark vergrößert, wie im Falle der höheren Beugungsmaßzahl (4a).
Die Schärfentiefe eines fokussierten Laserstrahls kann beispielsweise durch die Länge entlang der Strahlachse (z) definiert werden, bis zu der sich der Radius w(z) des Laserstrahls auf 10 % seines ursprünglichen Radius w₀ vergrößert hat. Gemäß dieser Definition beträgt die Schärfentiefe für den in 4a dargestellten Laserstrahl beispielsweise ca. 110 µm und für den in 4b dargestellten Laserstrahl ca. 273 µm.
Das Strahlparameterprodukt (SPP) und die Beugungsmaßzahl M² eines Laserstrahls hängen wie folgt zusammen (Formel (3)): ${MM}^{2} = SPP [mm mrad] π / λ [μ m]$
Das Strahlparameterprodukt ist also proportional zu der Beugungsmaßzahl. Eine Halbierung der Beugungsmaßzahl bedeutet beispielsweise (bei gleichbleibender Wellenlänge λ) auch eine Halbierung des Strahlparameterprodukts. Im Folgenden wird somit auch bei einer Halbierung (bzw. Verringerung) der Beugungsmaßzahl M² von einer Halbierung (bzw. Verringerung) des Strahlparameterprodukts gesprochen.
Das Strahlparameterprodukt (SSP) berechnet sich ferner aus dem halben Strahldurchmesser (1/e²) multipliziert mit dem halben Öffnungswinkel des Laserlichtes, siehe 3 (Formel (4)): $SPP (Strahlparameterprodukt) = w_{0} \times Theta$

w₀: Radius bzw. halber Durchmesser des Laserstrahls
Theta: halber Öffnungswinkel des Lichtkegels mit dem Radius w₀

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich darauf, das Strahlparameterprodukt (entsprechend M²) eines Laserstrahls in einer Strahlachse zu verkleinern, um die Schärfentiefe zu erhöhen.
Eine einfache Anordnung zur Verkleinerung des Strahlparameterproduktes ist als erstes Vergleichsbeispiel in den 5a, 5b und 5c dargestellt. Gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel wird ein eintreffender Laserstrahl 46 geometrisch geteilt und die daraus entstehenden Teilstrahlen 48 und 50 werden mit Spiegeln so umgelenkt, dass diese z. B. nebeneinander liegen. Dabei wird das Strahlparameterprodukt in der geteilten Achse (x) etwa halbiert und in der ungeteilten Achse (y) in jedem Teilstrahl erhalten.
5a zeigt den oben geschilderten Vorgang durch das erste Vergleichsbeispiel anhand der Querschnitte (senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung z) durch den eintreffenden Laserstrahl 46 bzw. durch die Teilstrahlen 48 und 50. Im linken Bereich der Figur ist der Querschnitt des eintreffenden Laserstrahls 46 gezeigt, welcher in beiden Achsen x und y die Beugungsmaßzahl M² aufweist. Anschließend wird der eintreffende Laserstrahl 46 entlang der Achse y in zwei Teilstrahlen 48 und 50 aufgeteilt, welche jeweils entlang der y-Achse das ursprüngliche Strahlparameterprodukt entsprechend M² aufweisen und entlang der x-Achse ein halbiertes Strahlparameterprodukt entsprechend M²/2 aufweisen. Jeder der Teilstrahlen weist entlang der x-Achse das halbierte Strahlparameterprodukt entsprechend M²/2 und entlang der y-Achse das ursprüngliche Strahlparameterprodukt entsprechend M² auf. Den kombinierten (z. B. nebeneinanderliegenden) Strahlen kann man ein Strahlparameterprodukt in der y-Achse zuweisen (siehe 5a), welches mindestens doppelt so groß ist wie das ursprüngliche, abhängig davon wie weit entfernt voneinander die beiden Teilstrahlen angeordnet werden.
Die 5b und 5c zeigen den Strahlenverlauf des ersten Vergleichsbeispiels in einer perspektivischen Ansicht (5b) bzw. in einer Seitenansicht mit Blickrichtung entlang der y-Achse (5c). Wie in den 5b und 5c dargestellt ist, erfolgt die Abspaltung des Teilstrahls 50 sowie die Umlenkung dieses Teilstrahls 50 mithilfe von Spiegeln 52. Der Spiegel 52 zur Abspaltung des Teilstrahls 50 vom eintreffenden Laserstrahl 46 ragt hierbei zur Hälfte (d. h. bis zu einer mittleren Strahlachse des eintreffenden Laserstrahls 46) in den eintreffenden Laserstrahl 46 hinein.
Für die Teilung des von einem Laser emittierten Rohstrahls wird z. B. aus dem typisch runden Querschnitt des Laserstrahls ein rechteckiger oder ovaler Querschnitt mit Hilfe gekreuzter zylindrischer Teleskopanordnungen erzeugt (vgl. den ovalen Querschnitt des eintreffenden Laserstrahls in den 5a und 7b).
Die 6a und 6b zeigen ein zweites Vergleichsbeispiel. Das zweite Vergleichsbeispiel stellt eine Abwandlung des ersten Vergleichsbeispiels dar und die obige Beschreibung des ersten Vergleichsbeispiels trifft auch auf das zweite Vergleichsbeispiel zu. Der einzige Unterschied der beiden Vergleichsbeispiele besteht darin, dass das zweite Vergleichsbeispiel zusätzlich eine Teleskopoptik bestehend aus zwei zylindrischen Sammellinsen 53 aufweist. Mithilfe dieser Teleskopoptik (beispielsweise ein 1:1-Teleskop) ist es möglich, das Profil des abgespaltenen Teilstrahls 50 so zu drehen, dass die Strahlprofile der beiden Teilstrahlen 48 und 50 beim Nebeneinanderlegen so ausgerichtet sind, wie in 6b dargestellt ist. Im Gegensatz zu der Ausrichtung der 5a, in welcher die beiden Teilstrahlen 48 und 50 die gleiche Ausrichtung aufweisen, sind in dem zweiten Vergleichsbeispiel die Ausrichtungen der beiden Teilstrahlen 48 und 50 gedreht bzw. entlang der y-Achse gespiegelt. Ein Vorteil besteht hierbei darin, dass bei Betrachtung entlang der x-Achse die summierte Strahlintensität der beiden Teilstrahlen 48, 50 symmetrisch verteilt ist.
Die optischen Systeme der vorliegenden Offenbarung realisieren eine Symmetrisierung eines eintreffenden Laserstrahls 54 und eine Verkleinerung des Strahlparameterprodukts in einer Achse (x). Dafür wird gemäß einer in 7a dargestellten ersten Ausführungsform eines optischen Systems 55 der eintreffende Laserstrahl 54 entlang einer Achse geometrisch mit Hilfe eines Spiegels 56 geteilt und zwei Mal mithilfe von Spiegeln 58, 60 um 90° umgelenkt. Ein Lambda/2-Plättchen 62 erlaubt die Polarisation eines der beiden Teilstrahlen 64, 66 um 90° zu drehen, sodass die beiden Teilstrahlen mit einem Dünnschichtpolarisator 68 koaxial wieder übereinander gelegt werden können und einen vereinigten Laserstrahl 70 bilden, siehe 7a.
Im Detail: Ein entlang der x-Achse linear polarisierter eintreffender Laserstrahl 54 trifft auf das optische System 55 entlang der z-Achse ein. Anders ausgedrückt erstreckt sich eine Strahlachse des eintreffenden Laserstrahls 54 entlang der z-Achse und die elektrischen Feldvektoren des eintreffenden Laserstrahls 54 sind so ausgerichtet, dass sie sich entlang der x-Achse erstrecken. Zur Erzeugung des eintreffenden Laserstrahls 54 wird eine Laserstrahlquelle (nicht dargestellt) verwendet, welche den linear polarisierten Laserstrahl 54 erzeugt, gegebenenfalls unter Verwendung eines Linearpolarisators. Wie in 7a dargestellt ist, weist der eintreffende Laserstrahl 54 im Wesentlichen ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf (sowohl entlang der x-Achse als auch entlang der y-Achse), wobei ein Intensitätsmaximum in der mittleren Strahlachse des eintreffenden Laserstrahls 54 liegt.
Ein Teilstrahl 66 (zweiter Teilstrahl) wird mithilfe des Spiegels 56 von dem eintreffenden Laserstrahl 54 abgespalten und entlang der x-Richtung abgelenkt. Der verbleibende Teil des eintreffenden Laserstrahls 54 entspricht einem ersten Teilstrahl 64. Anders ausgedrückt wird der eintreffende Laserstrahl 54 mithilfe des Spiegels 56 in einen ersten Teilstrahl 64 und einen zweiten Teilstrahl 66 aufgespalten. Die Aufspaltung bzw. Aufteilung erfolgt entlang der y-Achse, sodass zwei Teilstrahlen entstehen, deren Intensitätsprofile nach Spiegelung des zweiten Teilstrahls 66 am Spiegel 56 im Wesentlichen übereinstimmen (bei Betrachtung eines Querschnitts durch die x-y-Ebene für den ersten Teilstrahl 64 bzw. bei Betrachtung eines Querschnitts durch die y-z-Ebene für den zweiten Teilstrahl 66). Anders ausgedrückt wird der eintreffende Laserstrahl 54 in der Mitte halbiert, entlang einer Achse, welche durch das Strahlmaximum parallel zur y-Achse verläuft. Der zweite Teilstrahl 66 wird durch zwei Spiegel 58, 60 so umgelenkt, dass er im 90°-Winkel wieder auf den ersten Teilstrahl 64 trifft.
An einer beliebigen Stelle nach Abspaltung des zweiten Teilstrahls 66 ist ein Lambda/2-Plättchen 62 im zweiten Teilstrahl 66 positioniert und so angeordnet, dass die lineare Polarisation des zweiten Teilstrahls 66, welche vor Durchlaufen des Lambda/2-Plättchens 62 innerhalb der x-z-Ebene liegt, so um 90° gedreht wird, dass die Polarisation des zweiten Teilstrahls 66 nach Durchlaufen des Lambda/2-Plättchens 62 senkrecht zur x-z-Ebene verläuft. Anders ausgedrückt war der eintreffende Laserstrahl 54 und somit auch der zweite Teilstrahl 66 direkt nach seiner Abspaltung im Hinblick auf den Dünnschichtpolarisator 68 p-polarisiert. Nach Durchlaufen des Lambda/2-Plättchens 62 ist der zweite Teilstrahl 66 im Hinblick auf den Dünnschichtpolarisator 68 s-polarisiert. Die Polarisationsrichtungen der jeweiligen Strahlen sind in den Figuren durch Pfeile bzw. Kreuze veranschaulicht.
Der Dünnschichtpolarisator 68 ist so ausgestaltet, dass er p-polarisiertes Licht transmittieren lässt und s-polarisiertes Licht reflektiert. Dies führt in der Anordnung der 7a dazu, dass der von links entlang der z-Achse auf den Dünnschichtpolarisator 68 eintreffende erste Teilstrahl 64, welcher bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 p-polarisiert ist, durch diesen transmittiert und dass der von oben entlang der x-Achse auf den Dünnschichtpolarisator 68 eintreffende zweite Teilstrahl 66, welcher bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 s-polarisiert ist, von diesem reflektiert wird. Der erste Teilstrahl 64 und der zweite Teilstrahl 66 werden koaxial in dieselbe Richtung (entlang der z-Achse) transmittiert bzw. reflektiert und bilden somit einen vereinigten Laserstrahl 70. Anders ausgedrückt wird der erste Teilstrahl 64 und der zweite Teilstrahl 66 miteinander überlagert. Die Vereinigung erfolgt so, dass ein Überlapp der beiden Teilstrahlen 64, 66 maximiert wird. Der resultierende vereinigte Laserstrahl 70 ist somit spiegelsymmetrisch bezüglich einer entlang der x-Achse verlaufenden Symmetrieachse und spiegelsymmetrisch bezüglich einer entlang der y-Achse verlaufenden Symmetrieachse. Details zu den Querschnitten der jeweiligen Strahlen werden auch in 7b veranschaulicht.
7b beschreibt die oben geschilderte erste Ausführungsform anhand der Querschnitte der beteiligten Strahlen. Links beginnend ist in 7b der Querschnitt des eintreffenden Lichtstrahls 54 sowie sein im Wesentlichen gaußförmiges Intensitätsprofil dargestellt. Das gaußförmige Intensitätsprofil ist beispielhaft entlang der x-Achse dargestellt. Auch entlang der y-Achse ist das Intensitätsprofil des eintreffenden Laserstrahls 54 im Wesentlichen gaußförmig. Wie in 7b dargestellt ist, ist das Intensitätsprofil des eintreffenden Laserstrahls zwar bezüglich einer Spiegelung an der x-Achse und einer Spiegelung an der y-Achse spiegelsymmetrisch, nicht jedoch notwendigerweise rotationssymmetrisch. In dem in 7b geschilderten Beispiel wurde der eintreffende Laserstrahl 54 mithilfe geeigneter Zylinderoptiken bereits in eine elliptische Form gebracht, mit einer langen Achse entlang der y-Achse und einer kurzen Achse entlang der x-Achse. Die Beugungsmaßzahl des eintreffenden Laserstrahls 54 beträgt sowohl entlang der x-Achse als auch entlang der y-Achse M2.
Nach Aufspaltung durch den Spiegel 56 beträgt die Beugungsmaßzahl der beiden Teilstrahlen 64, 66 entlang der y-Achse noch immer M², die Beugungsmaßzahl der jeweiligen Strahlen senkrecht zur y-Achse wurde jedoch jeweils auf M²/2 halbiert. Hierbei zeigt 7b für den ersten Teilstrahl 64 und für den zweiten Teilstrahl 66 jeweils symbolisch einen Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Strahls.
Der rechte Abschnitt von 7b zeigt den vereinigten Laserstrahl 70 im Querschnitt durch eine x-y-Ebene. Wie man der schematischen Darstellung der 7b entnehmen kann, wurden die beiden Querschnitte der beiden Teilstrahlen 64, 66 so überlagert, dass der resultierende Gesamtquerschnitt des vereinigten Laserstrahls 70 eine möglichst geringe Fläche aufweist bzw. dass ein Überlapp der beiden Querschnitte der Teilstrahlen 64, 66 maximal ist. Anders ausgedrückt werden die beiden Teilstrahlen 64, 66 so überlagert, dass eine Ausdehnung des vereinigten Laserstrahls 70 in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z-Achse) im Wesentlichen übereinstimmt mit einer Ausdehnung des ersten Teilstrahls 64 und des zweiten Teilstrahls 66, jeweils in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Teilstrahls (siehe 7b).
Ganz rechts in 7b ist eine Intensitätsverteilung des vereinigten Laserstrahls 70 entlang der x-Achse dargestellt. Mit durchgezogenen Linien ist die Intensitätsverteilung der einzelnen Teilstrahlen 64, 66 angedeutet und die gestrichelte Linie veranschaulicht die summierte, überlagerte Intensität des vereinigten Teilstrahls 70. Da zwei halbierte Gauß-Profile überlagert wurden, weist der resultierende vereinigte Laserstrahl 70 ein Intensitätsprofil auf, welches - entlang der x-Achse betrachtet - an seinen Randbereichen jeweils ein Maximum aufweist und in der Mitte ein Minimum aufweist.
Auf die oben geschilderte Weise entsteht ein Laserstrahl, der in der geteilten Achse (d. h. entlang der x-Achse) in etwa das halbe Strahlparameterprodukt hat (entsprechend M²/2) und in der anderen Achse das ursprüngliche Strahlparameterprodukt (M²) beibehält. Im Gegensatz dazu wird z. B. in bekannten Treppenspiegelanordnungen das Strahlparameterprodukt in einer Achse verkleinert und in der anderen dazu senkrechten Achse vergrößert. In Abwandlungen der ersten Ausführungsform können die Umlenkwinkel der Spiegel 56, 58, 60 auch von 90° abweichen (vgl. auch die zweite Ausführungsform gemäß 8), wobei jedoch die geteilten Teilstrahlen 64, 66 koaxial (bezüglich Richtung und Querschnitt) mit dem Dünnschichtpolarisator 68 wieder übereinander gelegt werden. Der vereinigte Strahl 70 enthält dann beide Polarisationsrichtungen in etwa gleicher Intensität (siehe 7a).
Gemäß einer ersten Abwandlung der ersten Ausführungsform ist der eintreffende Laserstrahl 54 bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 s-polarisiert, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 7a und somit entlang der y-Achse (d. h. die verwendete Laserstrahlquelle ist zur Erzeugung eines solchen eintreffenden Laserstrahls 54 eingerichtet). Bei gleichbleibender Anordnung der verbleibenden Elemente des optischen Systems (wie in 7a dargestellt) führt dies dazu, dass der vereinigte Laserstrahl 70 das optische System nicht entlang der z-Achse sondern entlang der negativen x-Achse verlässt. Genauer gesagt ist hierbei der erste Teilstrahl 64 s-polarisiert und der zweite Teilstrahl 66 nach Drehung seiner Polarisation durch das Lambda/2-Plättchen 62 p-polarisiert, sodass der zweite Teilstrahl 66 durch den Dünnschichtpolarisator 68 transmittiert wird und der erste Teilstrahl 64 reflektiert wird.
Gemäß einer zweiten Abwandlung der ersten Ausführungsform ist der eintreffende Laserstrahl 54 bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 s-polarisiert, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 7a und somit entlang der y-Achse (d. h. die verwendete Laserstrahlquelle ist zur Erzeugung eines solchen eintreffenden Laserstrahls 54 eingerichtet). Ferner ist das Lambda/2-Plättchen 62 nicht im zweiten Teilstrahl 66 sondern im ersten Teilstrahl 64 (strahlabwärts vom Spiegel 56) angeordnet. Gemäß dieser Anordnung ist der erste Teilstrahl 64 nach Umkehrung seiner Polarisation p-polarisiert und der zweite Teilstrahl 66 ist s-polarisiert. Da die Polarisation der jeweiligen Teilstrahlen 64, 66 beim Auftreffen auf den Dünnschichtpolarisator 68 identisch ist zu der Polarisation der Teilstrahlen 64, 66 der ersten Ausführungsform, entspricht ein Strahlenverlauf des vereinigten Laserstrahls 70 gemäß der zweiten Abwandlung dem Verlauf des vereinigten Laserstrahls 70 der ersten Ausführungsform der 7a.
Gemäß einer dritten Abwandlung der ersten Ausführungsform ist der eintreffende Laserstrahl p-polarisiert, wobei jedoch eine Anordnung der weiteren Komponenten des optischen Systems der Anordnung der zweiten Abwandlung entspricht. Ähnlich wie im Zusammenhang mit der ersten Abwandlung geschildert verlässt hierbei der vereinigte Laserstrahl 70 das optische System entlang der negativen x-Achse.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wesentliche Unterschiede der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform bestehen darin, dass einerseits der abgelenkte zweite Teilstrahl 66 durch den Dünnschichtpolarisator 68 transmittiert wird und der zunächst nicht abgelenkte erste Teilstrahl 64 vom Dünnschichtpolarisator 68 reflektiert wird. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Winkel, unter welchem der reflektierte Teilstrahl den Dünnschichtpolarisator 68 trifft, nicht 45° sondern 56° beträgt. Details der zweiten Ausführungsform gemäß 8 werden im Folgenden geschildert.
Ein linear polarisierter eintreffender Laserstrahl 54 trifft auf das optische System entlang der z-Achse ein. Der eintreffende Laserstrahl 54 ist in Bezug auf den später beschriebenen Dünnschichtpolarisator 68 p-polarisiert (also mit E-Feld in der x-z-Ebene). Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform (lediglich unter einem anderen Ablenkungswinkel) spaltet der Spiegel 56 einen Teilstrahl 66 (zweiter Teilstrahl) von dem eintreffenden Laserstrahl 54 ab, wobei der verbleibende Teilstrahl 64 des eintreffenden Laserstrahls 54 als erster Teilstrahl 64 entlang der Z-Achse verläuft. Der erste Teilstrahl 64 wird mithilfe eines Spiegels 72 auf die Rückseite eines Dünnschichtpolarisators 68 gelenkt. Ebenso wird der abgelenkte erste Teilstrahl mithilfe eines Spiegels 74 auf die Vorderseite des Dünnschichtpolarisators 68 gelenkt. Im Strahlengang des ersten Teilstrahls 64 (d. h. hinter dem Spiegel 56 und vor dem Dünnschichtpolarisator 68) ist ein Lambda/2-Plättchen 62 angeordnet, wobei dieses im Strahlengang vor oder hinter dem Spiegel 72 positioniert sein kann. In der Ausführungsform gemäß 8 ist das Lambda/2-Plättchen 62 zwischen dem Spiegel 56 und dem Spiegel 72 positioniert.
Das Lambda/2-Plättchen 62 ist dazu eingerichtet, die lineare Polarisation des ersten Teilstrahls um 90° zu drehen. In der dargestellten zweiten Ausführungsform ist das Lambda/2-Plättchen 62 dazu eingerichtet, die ursprüngliche p-Polarisation des ersten Teilstrahls 64, welche der Polarisation des eintreffenden Laserstrahls 54 entspricht, so zu drehen, dass der erste Teilstrahl 64 hinter dem Lambda/2-Plättchen 62 bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 s-polarisiert ist. Wie in 8 durch ein Kreuz dargestellt ist, ist der erste Teilstrahl nach Drehung der Polarisation durch das Lambda/2-Plättchen 62 entlang der y-Achse polarisiert.
Ähnlich wie in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben trifft auch in der zweiten Ausführungsform ein s-polarisierter Teilstrahl und ein p-polarisierter Teilstrahl auf den Dünnschichtpolarisator 68, wobei im Falle der zweiten Ausführungsform der erste Teilstrahl 64 s-polarisiert ist und der zweite Teilstrahl p-polarisiert ist. Der p-polarisierte zweite Teilstrahl wird vom Dünnschichtpolarisator 68 entlang der z-Achse transmittiert und der s-polarisierte erste Teilstrahl 64 wird am Dünnschichtpolarisator 68 reflektiert und verläuft nach der Reflexion ebenfalls entlang der z-Achse und koaxial zum zweiten Teilstrahl. Somit entsteht hinter dem Dünnschichtpolarisator 68 ein vereinigter Laserstrahl 70.
Die Darstellung der 7b und die darin geschilderten Querschnitte der jeweiligen Strahlen treffen ebenso auf die zweite Ausführungsform gemäß 8 zu.
Das optische System gemäß der zweiten Ausführungsform der 8 ist so ausgestaltet, dass der erste Teilstrahl 64, welcher am Dünnschichtpolarisator 68 reflektiert wird, auf diesen unter dem Brewster-Winkel des Dünnschichtpolarisators 68 trifft. Für synthetischen Quarz bei der Wellenlänge 343 nm beträgt der Brewster-Winkel beispielsweise 56°. Wenn der reflektierte (erste) Teilstrahl 64 den Dünnschichtpolarisator 68 bereits unter dessen Brewster-Winkel bestrahlt, hat dies den Vorteil, dass eine Beschichtung des Dünnschichtpolarisators 68 auf dessen Rückseite nicht erforderlich ist und somit weggelassen werden kann.
Alternativ zu der Ausgestaltung der ersten Ausführungsform gemäß 7a kann diese auch so ausgestaltet sein, dass ein Winkel, unter dem der zweite Teilstrahl 66 auf den Dünnschichtpolarisator 68 trifft, dem Brewster-Winkel des Dünnschichtpolarisators 68 entspricht (beispielsweise 56°).
Ferner kann alternativ zu der Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform gemäß 8 ein Winkel, unter dem der erste Teilstrahl 64 auf den Dünnschichtpolarisator 68 trifft auch anders gewählt werden (beispielsweise 45°) und der Dünnschichtpolarisator 68 kann eine entsprechende Beschichtung auf seiner Rückseite aufweisen.
Gemäß einer ersten Abwandlung der zweiten Ausführungsform ist der eintreffende Laserstrahl 54 bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 s-polarisiert, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 8 und somit entlang der y-Achse (d. h. die verwendete Laserstrahlquelle ist zur Erzeugung eines solchen eintreffenden Laserstrahls 54 eingerichtet). Bei gleichbleibender Anordnung der verbleibenden Elemente des optischen Systems (wie in 8 dargestellt) führt dies dazu, dass der vereinigte Laserstrahl 70 das optische System nicht entlang der z-Achse sondern in der Darstellung der 8 nach schräg oben verlässt. Genauer gesagt ist hierbei der erste Teilstrahl 64 nach Umkehrung seiner Polarisation durch das Lambda/2-Plättchen p-polarisiert und der zweite Teilstrahl 66 ist s-polarisiert, sodass der erste Teilstrahl 64 durch den Dünnschichtpolarisator 68 transmittiert wird und der zweite Teilstrahl 66 reflektiert wird.
Gemäß einer zweiten Abwandlung der zweiten Ausführungsform ist der eintreffende Laserstrahl 54 bezüglich des Dünnschichtpolarisators 68 s-polarisiert, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 8 und somit entlang der y-Achse (d. h. die verwendete Laserstrahlquelle ist zur Erzeugung eines solchen eintreffenden Laserstrahls 54 eingerichtet). Ferner ist der Dünnschichtpolarisator 68 nicht im ersten Teilstrahl 64 sondern im zweiten Teilstrahl 66 (strahlabwärts vom Spiegel 56) angeordnet. Gemäß dieser Anordnung ist der zweite Teilstrahl 66 nach Umkehrung seiner Polarisation p-polarisiert und der erste Teilstrahl 64 ist s-polarisiert. Da die Polarisation der jeweiligen Teilstrahlen 64, 66 beim Auftreffen auf den Dünnschichtpolarisator 68 identisch ist zu der Polarisation der Teilstrahlen 64, 66 der zweiten Ausführungsform, entspricht ein Strahlenverlauf des vereinigten Laserstrahls 70 gemäß der zweiten Abwandlung dem Verlauf des vereinigten Laserstrahls 70 der zweiten Ausführungsform der 8.
Gemäß einer dritten Abwandlung der zweiten Ausführungsform ist der eintreffende Laserstrahl p-polarisiert, wobei jedoch eine Anordnung der weiteren Komponenten des optischen Systems der Anordnung der zweiten Abwandlung entspricht. Ähnlich wie im Zusammenhang mit der ersten Abwandlung der zweiten Ausführungsform geschildert, verlässt hierbei der vereinigte Laserstrahl 70 das optische System nach schräg oben (in der Darstellung der 8).
9 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei gemäß der dritten Ausführungsform das Licht zweier eintreffender Laserstrahlen 76, 78 in zwei austretenden Laserstrahlen 80, 82 miteinander vermischt wird.
Im Detail: Ein erster eintreffender Laserstrahl 76 und ein zweiter eintreffender Laserstrahl 78 treffen auf das optische System entlang der z-Achse ein. Sowohl der erste eintreffende Laserstrahl 76 als auch der zweite eintreffende Laserstrahl 78 sind bezüglich der im optischen System verwendeten Dünnschichtpolarisatoren 84, 86 p-polarisiert, d. h. die eintreffenden Laserstrahlen 76, 78 sind parallel zu der x-z-Ebene polarisiert.
Der erste eintreffende Laserstrahl 76 wird durch einen ersten Spiegel 88 in einen ersten Teilstrahl 90 und einen zweiten Teilstrahl 92 aufgeteilt. Die Aufteilung des ersten eintreffenden Lichtstrahls 76 in den ersten Teilstrahl 90 und den zweiten Teilstrahl 92 erfolgt analog zu der Aufteilung des eintreffenden Laserstrahls 54 in den ersten Teilstrahl 64 und den zweiten Teilstrahl 66 mithilfe des Spiegels 56 in der ersten Ausführungsform (siehe 7a). Der erste Teilstrahl 90 ist weiterhin p-polarisiert und verläuft entlang der z-Achse. Der zweite Teilstrahl 92 wird nach unten (entlang der negativen X-Achse) in Richtung des zweiten eintreffenden Laserstrahls 78 abgelenkt und durchläuft ein Lambda/2-Plättchen 94, durch welches seine Polarisation um 90° von der ursprünglichen p-Polarisation in eine s-Polarisation gedreht wird.
Der somit s-polarisierte zweite Teilstrahl 92 wird mithilfe des Dünnschichtpolarisators 84 mit dem zweiten eintreffenden Laserstrahl 78 vereinigt und bildet somit einen entlang der z-Achse verlaufenden ersten vereinigten Laserstrahl 96. Genauer gesagt wird der zweite Teilstrahl 92 dem zweiten eintreffenden Laserstrahl 78 so überlagert, dass lediglich eine Hälfte des Querschnitts des zweiten eintreffenden Laserstrahls 78 vom zweiten Teilstrahl 92 überlagert wird, wobei es sich bei dieser Hälfte um den später geschilderten dritten Teilstrahl 82 handelt, welcher nicht durch den zweiten Spiegel 98 abgespalten wird.
Der erste vereinigte Laserstrahl wird anschließend vom zweiten Spiegel 98 in einen dritten Teilstrahl 82 und einen vierten Teilstrahl 100 aufgeteilt. Bei dem dritten Teilstrahl 82 handelt es sich um den Anteil des zweiten eintreffenden Laserstrahls 78, dem der zweite Teilstrahl 92 überlagert wurde. Der dritte Teilstrahl 82 verläuft entlang der z-Achse.
Der vierte Teilstrahl 100 wird vom Spiegel 98 nach oben entlang der x-Achse reflektiert und durchläuft ein Lambda/2-Plättchen 102, durch welches seine Polarisation um 90° von der ursprünglichen p-Polarisation in eine s-Polarisation gedreht wird.
Der somit s-polarisierte vierte Teilstrahl 100 wird mithilfe des Dünnschichtpolarisators 86 mit dem ersten Teilstrahl 90 vereinigt und bildet somit einen entlang der z-Achse verlaufenden zweiten vereinigten Laserstrahl 80. Ein Strahlprofil bzw. eine Intensitätsverteilung des zweiten vereinigten Laserstrahls 80 und des dritten Teilstrahls 82 entsprechen dem Strahlprofil bzw. der Intensitätsverteilung des vereinigten Laserstrahls 70 der ersten Ausführungsform.
Gemäß einer ersten Abwandlung der dritten Ausführungsform ist der erste eintreffende Laserstrahl 76 bezüglich des Dünnschichtpolarisators 84 s-polarisiert, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 9 und somit entlang der y-Achse (d. h. die verwendete Laserstrahlquelle ist zur Erzeugung eines solchen eintreffenden Laserstrahls 76 eingerichtet). Der zweite eintreffende Laserstrahl ist weiterhin p-polarisiert. Ferner ist das Lambda/2-Plättchen 94 nicht im zweiten Teilstrahl 92 sondern im ersten Teilstrahl 90 (strahlabwärts vom Spiegel 88) angeordnet. Gemäß dieser Anordnung ist der erste Teilstrahl 90 nach Umkehrung seiner Polarisation p-polarisiert und der zweite Teilstrahl 92 ist s-polarisiert. Da die Polarisation der jeweiligen (Teil-) Strahlen 90, 100, 92, 78 beim Auftreffen auf die Dünnschichtpolarisatoren 84, 86 identisch ist zu der Polarisation der jeweiligen Strahlen der dritten Ausführungsform (siehe 9), entspricht ein Strahlenverlauf der jeweiligen (Teil-) Strahlen nach Durchlaufen der Dünnschichtpolarisatoren 84, 86 dem Verlauf der in 9 dargestellten Strahlen der dritten Ausführungsform.
Ein Vorteil des durch die oben beschriebenen Ausführungsformen erzeugten Strahlprofils besteht darin, dass der zu einem hinter dem optischen System angeordneten Treppenspiegel geführte zusammengesetzte Laserstrahl in der zu teilenden Achse (x-Achse) außen und innen vergleichbare Energieanteile transportiert und dadurch die weitere Teilung des Strahlparameterprodukts entlang dieser Achse sehr effizient wird.
Insbesondere für die Herstellung langer Linien kann es notwendig sein, die Strahlen mehrerer Festkörperlaser zu kombinieren um in der Summe ausreichend Pulsenergie und damit Energiedichte in der Linie zur Verfügung zu haben. Die Verkleinerung des Strahlparameterproduktes und das Mischen einzelner Strahlen schon vor der Homogenisierung kann von großem Vorteil sein.
In der oben beschriebenen 9 ist entsprechend eine Anordnung gezeigt, die zwei eintreffende Laserstrahlen 76, 78 mischt, das Strahlparameterprodukt in einer Achse halbiert und einen symmetrischen Strahl 80, 82 mit einer flachen Verteilung oder einem Minimum in der Strahlmitte erzeugt. Es entstehen somit zwei kombinierte Strahlen 80, 82, die jeweils etwa gleiche s- und p-Polarisationsanteile enthalten und ein symmetrisches Intensitätsprofil mit einem Minimum in der Mitte der Strahlen aufweisen.
10 zeigt ein Beispiel für sechs eintreffende Laserstrahlen und eine Verwendung von Dünnschichtpolarisatoren unter einem Winkel ungleich 45°, z. B. unter dem Brewster-Winkel (56° für synthetisches Quarz, 343 nm) für die betreffende Wellenlänge, um auf eine Beschichtung auf der Rückseite des Dünnschichtpolarisators zu verzichten. Gezeigt ist zusätzlich eine (optionale) Teleskopaufweitung nach der Verkleinerung des Strahlparameterproduktes entlang der x-Achse.
In der Anordnung gemäß 10 sind im Wesentlichen drei Anordnungen der dritten Ausführungsform gemäß 9 nebeneinander positioniert, wobei jedoch die Spiegel und Dünnschichtpolarisatoren so gedreht sind, dass Eintrittswinkel der jeweils am Dünnschichtpolarisator reflektierten Teilstrahlen dem Brewster-Winkel des jeweiligen Dünnschichtpolarisators entsprechen.
Die entsprechend den oben geschilderten Ausführungsformen und deren Abwandlungen erzeugten ausgehenden Laserstrahlen 70, 80, 82 können weiter verarbeitet werden in einer Treppenspiegelanordnung 104 um das bereits (bezüglich der x-Achse) verkleinerte Strahlparameterprodukt weiter (bezüglich der x-Achse) zu verkleinern. Die Verkleinerung/Vergrößerung des Strahlparameterproduktes, beispielsweise in Treppenspiegelanordnungen ist vielfach beschrieben (siehe z. B. Applied Optics, Vol. 36, No. 24, 20.08.1997, Seite 5873 und 5374, DE 103 31 442 A1 und DE 20 2005 021 171 ) und Stand der Technik seit den 1990er Jahren. Dafür wird der zusammengesetzte Strahl 70, 80, 82 in eine Treppenspiegelanordnung 104 mit großer Brennweite fokussiert und ein weiteres Mal geteilt oder mehrfach geteilt. Die Brennweite zur Fokussierung in den Treppenspiegel wird so ausgewählt, dass die Fokusbreite (1/e²) deutlich kleiner ist als die Treppenspiegelfacette.
Analog zu der Anordnung der 11 kann eine Treppenspiegelanordnung 104 auch allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen eines optischen Systems nachgelagert werden. Die die Treppenspiegelanordnung 104 verlassenden Teilstrahlen können anschließend zu einer Beleuchtungslinie geformt werden, beispielsweise mit einer Vorrichtung 10 gemäß 1a, 1b.
Beispielhaft ist dies anhand 12 dargestellt, wobei ein optisches System 55 gemäß der ersten Ausführungsform (7a) in die Vorrichtung 10 der 1a, 1b integriert ist. Der obere Teil (a) der 12 zeigt eine Ansicht entlang der x-Achse (auf die lange Strahlachse y) und der untere Teil (b) zeigt eine Ansicht entlang der y-Achse (auf die kurze Strahlachse x).
Genau gesagt kann jede der hierin beschriebenen Ausführungsformen für ein optisches System in die Vorrichtung 10 der 1a, 1b integriert werden, beispielsweise zwischen den Zylinderlinsen 34 und 38, wie in 12 dargestellt ist.
In der Vorrichtung der 12 wird das Strahlparameterprodukt durch die optische Anordnung 55 entlang der x-Achse verkleinert, also entlang der Achse, welche die kurze Achse der Beleuchtungslinie 22 bildet. Ferner sind in 12 die optionalen Elemente 106 und 104 dargestellt. Durch die optionale Teleskopoptik 106 kann der Strahl 14 beispielsweise entlang der x-Achse aufgeweitet werden. Die Treppenspiegelanordnung 104 führt dazu, wie oben in Zusammenhang mit 11 beschrieben, dass das Strahlparameterprodukt entlang der kurzen Achse (x-Achse) weiter verkleinert werden kann, um eine Fokussierung bzw. eine Schärfentiefe der Beleuchtungslinie 22 zu verbessern. Wie in 12 dargestellt ist, wird der Laserstrahl 14 durch die Treppenspiegelanordnung 104 sowohl in der y-z-Ebene als auch in der x-z-Ebene zweimal um 90° umgelenkt.
Durch die hierin geschilderte Technik kann eine Strahlparameterproduktverkleinerung einer Achse (beispielsweise der x-Achse) ohne Vergrößerung der anderen Achse (beispielsweise der y-Achse) erreicht werden, mit der Möglichkeit, zwei oder mehreren Strahlen zu mischen. Ferner kann eine Intensitätsverteilung mit einem flachen Profil oder Minimum in der Mitte erreicht werden, die sich besonders eignet zur weiteren effizienten Strahlparameterproduktverkleinerung z. B. mit Treppenspiegeln.
Anders ausgedrückt haben die hierin beschriebenen optischen Anordnungen den Vorteil, dass ein Laserstrahl erzeugt werden kann, welcher ein verringertes Strahlparameterprodukt entlang zumindest einer Achse (kurze Achse) erzeugen kann. Diese Achse lässt sich in einer nachfolgenden Optik so fokussieren, dass eine Schärfentiefe des erzeugten Fokus verbessert wird. Da der erzeugte Laserstrahl entlang der kurzen Achse weitgehend symmetrisch ist, kann der Strahl besser fokussiert werden und es wird ein symmetrischer Fokus erzeugt, welcher einem Gauß-Profil nahe kommt. Bei Verwendung einer optionalen Treppenspiegelanordnung eignet sich das erzeugte Strahlprofil entlang der kurzen Achse besonders gut zur weiteren Aufspaltung, da dieses einerseits bezüglich der kurzen Achse symmetrisch ist und andererseits an seinen Randbereichen jeweils ein Intensitätsmaximum aufweist.
Ferner kann mit der oben beschriebenen Technik erreicht werden, dass die Flanken des homogenisierten Strahlprofils in der langen Achse schmaler werden und somit eine Effizienz verbessert wird. Bei Verwendung von mehreren Lasern können mehrere ausgehende Strahlen eng nebeneinander gelegt werden. Ohne die hierin beschriebene Überlagerung (Vereinigung) der Teilstrahlen wäre das Strahlarray entlang der langen Achse doppelt so groß. Durch die hierin beschriebene Technik kann somit Platz gespart werden und die Größe zu verwendender Optikkomponenten reduziert werden, was zu Kosteneinsparungen führt.
Sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben, stehen identische Bezugszeichen in den Figuren für identische oder identisch wirkende Elemente. Außerdem ist eine beliebige Kombination der in den Figuren dargestellten Merkmale denkbar.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie, umfassend ein optisches System zum Verarbeiten eines eintreffenden Laserstrahls, wobei das optische System umfasst: - eine Strahlaufspaltungseinrichtung (56) zum Aufspalten eines eintreffenden Laserstrahls (54) in einen ersten Teilstrahl (64) und einen zweiten Teilstrahl (66), sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls (64) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls (54) entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls (66) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls (54) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen; - eine im Strahlengang des ersten Teilstrahls (64) oder des zweiten Teilstrahls (66) angeordnete Umpolarisierungseinrichtung zum Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls (64) oder des zweiten Teilstrahls (66) um 90°; - eine Strahlvereinigungseinrichtung (68) zum koaxialen Vereinigen des ersten Teilstrahls (64) und des zweiten Teilstrahls (66) zu einem vereinigten Laserstrahl, wobei die Vorrichtung ferner umfasst: - eine dem optischen System nachgelagerte Treppenspiegelanordnung (104), welche dazu eingerichtet ist, ein Strahlparameterprodukt des vereinigten Laserstrahls (70) durch Aufteilen des vereinigten Laserstrahls (70) in zwei oder mehrere Teilstrahlen zu verringern; und - eine der Treppenspiegelanordnung nachgelagerte Beleuchtungslinienoptik, welche dazu eingerichtet ist, die zwei oder mehrere Teilstrahlen unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik (42) und einer Abbildungseinrichtung (18) als eine Beleuchtungslinie abzubilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische System ferner umfasst: - eine Strahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des eintreffenden Laserstrahls (54), sodass der eintreffende Laserstrahl (54) linear polarisiert ist, wobei die Strahlvereinigungseinrichtung (68) einen Polarisator umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, einen der beiden Teilstrahlen, erster Teilstrahl (64) und zweiter Teilstrahl (66), transmittieren zu lassen und den anderen der beiden Teilstrahlen zu reflektieren, sodass der erste Teilstrahl (64) und der zweite Teilstrahl (66) vereinigt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das optische System ferner umfasst: - mindestens eine Strahlumlenkungseinrichtung (72), welche dazu eingerichtet ist, den Teilstrahl, welcher an dem Polarisator reflektiert wird, so auf den Polarisator zu lenken, dass dieser Teilstrahl unter einem Brewster-Winkel des Polarisators auf den Polarisator auftrifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Strahlaufspaltungseinrichtung (56) einen Spiegel umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl (66) aus dem eintreffenden Laserstrahl (54) heraus zu reflektieren, sodass der zweite Teilstrahl (66) abgelenkt wird und ein verbleibender Anteil des eintreffenden Lichtstrahls (54) den ersten Teilstrahl (64) darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlaufspaltungseinrichtung (56) dazu eingerichtet ist, den eintreffenden Laserstrahl (54) entlang einer durch eine mittlere Strahlachse des eintreffenden Laserstrahls (54) verlaufenden Geraden aufzuteilen, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das optische System ferner umfasst: - eine Strahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des eintreffenden Laserstrahls (54), sodass der eintreffende Laserstrahl (54) eine ovale Querschnittsfläche mit einer langen Achse und einer kurzen Achse aufweist, wobei die Strahlaufspaltungseinrichtung (56) dazu eingerichtet ist, den eintreffenden Laserstrahl (54) entlang seiner langen Achse aufzuteilen, oder wobei die Strahlaufspaltungseinrichtung (56) dazu eingerichtet ist, den eintreffenden Laserstrahl (54) entlang seiner kurzen Achse aufzuteilen.
Optisches System zum Verarbeiten eines ersten eintreffenden Laserstrahls und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls, umfassend: - eine erste Strahlaufspaltungseinrichtung (88) zum Aufspalten eines ersten eintreffenden Laserstrahls (76) in einen ersten Teilstrahl (90) und einen zweiten Teilstrahl (92), sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls (90) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls (92) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen; - eine im Strahlengang des ersten Teilstrahls (90) oder des zweiten Teilstrahls (92) angeordnete erste Umpolarisierungseinrichtung (94) zum Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls (90) oder des zweiten Teilstrahls (92) um 90°; - eine erste Strahlvereinigungseinrichtung (84) zum Vereinigen des zweiten Teilstrahls (92) und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls (78) zu einem ersten vereinigten Laserstrahl (96); - eine zweite Strahlaufspaltungseinrichtung (98) zum Aufspalten des ersten vereinigten Laserstrahls (96) in einen dritten Teilstrahl (82) und einen vierten Teilstrahl (100), sodass ein Querschnitt des dritten Teilstrahls (82) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls (96) entspricht und ein Querschnitt des vierten Teilstrahls (100) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls (96) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen und wobei der zweite Teilstrahl (92) des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) vollständig im dritten Teilstrahl (82) des ersten vereinigten Laserstrahls (96) enthalten ist; - eine im Strahlengang des vierten Teilstrahls (100) angeordnete zweite Umpolarisierungseinrichtung (102) zum Drehen einer Polarisation des vierten Teilstrahls (100) um 90°; und - eine zweite Strahlvereinigungsvorrichtung (86) zum Vereinigen des vierten Teilstrahls (100) und des ersten Teilstrahls (90) zu einem zweiten vereinigten Laserstrahl (80).
Optisches System nach Anspruch 7, ferner umfassend: - eine erste Strahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des ersten eintreffenden Laserstrahls (76), sodass der erste eintreffende Laserstrahl (76) linear polarisiert ist; und - eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des zweiten eintreffenden Laserstrahls (78), sodass der zweite eintreffende Laserstrahl (78) linear polarisiert ist, wobei die erste Strahlvereinigungseinrichtung (84) einen Polarisator umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, den zweiten eintreffenden Laserstrahl (78) transmittieren zu lassen und den zweiten Teilstrahl (92) zu reflektieren, sodass der zweite eintreffende Laserstrahl (78) und der zweite Teilstrahl (92) vereinigt werden; wobei die zweite Strahlvereinigungseinrichtung (86) einen Polarisator umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, den ersten Teilstrahl (90) transmittieren zu lassen und den vierten Teilstrahl (100) zu reflektieren, sodass der erste Teilstrahl (90) und der vierte Teilstrahl (100) vereinigt werden; wobei der zweite eintreffende Laserstrahl (78) bezüglich des Polarisators der ersten Strahlvereinigungsvorrichtung (84) p-polarisiert ist; und wobei der erste eintreffende Laserstrahl (76) bezüglich des Polarisators der ersten Strahlvereinigungsvorrichtung (84) p-polarisiert ist und die erste Umpolarisierungseinrichtung (94) im zweiten Teilstrahl (92) angeordnet ist, oder wobei der erste eintreffende Laserstrahl (76) bezüglich des Polarisators der zweiten Strahlvereinigungsvorrichtung (86) s-polarisiert ist und die erste Umpolarisierungseinrichtung (94) im ersten Teilstrahl (90) angeordnet ist.
Optisches System nach Anspruch 8, wobei das optische System so angeordnet ist, dass der zweite Teilstrahl (92) unter einem Brewster-Winkel des Polarisators der ersten Strahlvereinigungseinrichtung (84) auf diesen Polarisator trifft; und wobei das optische System so angeordnet ist, dass der vierte Teilstrahl (100) unter einem Brewster-Winkel des Polarisators der zweiten Strahlvereinigungseinrichtung (86) auf diesen Polarisator trifft.
Optisches System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die erste Strahlaufspaltungseinrichtung (88) einen Spiegel umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl (92) aus dem ersten eintreffenden Laserstrahl (76) heraus zu reflektieren, sodass der zweite Teilstrahl (92) abgelenkt wird und ein verbleibender Anteil des ersten eintreffenden Lichtstrahls (76) den ersten Teilstrahl (90) darstellt, und/oder wobei die zweite Strahlaufspaltungseinrichtung (98) einen Spiegel umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, den vierten Teilstrahl (100) aus dem ersten vereinigten Laserstrahl (96) heraus zu reflektieren, sodass der vierte Teilstrahl (100) abgelenkt wird und ein verbleibender Anteil des ersten vereinigten Laserstrahls (96) den dritten Teilstrahl (82) darstellt.
Optisches System nach Anspruch 10, wobei die erste Strahlaufspaltungseinrichtung (88) dazu eingerichtet ist, den ersten eintreffenden Laserstrahl (76) entlang einer durch eine mittlere Strahlachse des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) verlaufenden Geraden aufzuteilen, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen, und/oder wobei die zweite Strahlaufspaltungseinrichtung (98) dazu eingerichtet ist, den ersten vereinigten Laserstrahl (96) entlang einer durch eine mittlere Strahlachse des ersten vereinigten Laserstrahls (96) verlaufenden Geraden aufzuteilen, sodass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls (96) eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie, umfassend: - das optische System nach einem der Ansprüche 8 bis 12; - eine dem optischen System nachgelagerte Treppenspiegelanordnung, welche dazu eingerichtet ist, ein Strahlparameterprodukt des dritten Teilstrahls (82) und des zweiten vereinigten Laserstrahls (80) durch Aufteilen des dritten Teilstrahls (82) und des zweiten vereinigten Laserstrahls (80) jeweils in zwei oder mehrere Teilstrahlen zu verringern; und - eine der Treppenspiegelanordnung nachgelagerte Beleuchtungslinienoptik, welche dazu eingerichtet ist, die jeweils zwei oder mehrere Teilstrahlen unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik (42) und einer Abbildungseinrichtung (18) als eine gemeinsame Beleuchtungslinie abzubilden.
Verfahren zum Verarbeiten eines eintreffenden Laserstrahls, umfassend: - Aufspalten eines eintreffenden Laserstrahls (54) in einen ersten Teilstrahl (64) und einen zweiten Teilstrahl (66), sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls (64) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls (54) entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls (66) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des eintreffenden Laserstrahls (54) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen; - Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls (64) oder des zweiten Teilstrahls (66) um 90°; - koaxiales Vereinigen des ersten Teilstrahls (64) und des zweiten Teilstrahls (66) zu einem vereinigten Laserstrahl (70); - Verringern eines Strahlparameterprodukts des vereinigten Laserstrahls (70) durch Aufteilen des vereinigten Laserstrahls (70) in zwei oder mehrere Teilstrahlen mithilfe einer Treppenspiegelanordnung (104); und - Abbilden der zwei oder mehreren Teilstrahlen als eine Beleuchtungslinie unter Verwendung einer Homogenisierungsoptik (42) und einer Abbildungseinrichtung (18).
Verfahren zum Verarbeiten eines ersten eintreffenden Laserstrahls und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls, umfassend: - Aufspalten eines ersten eintreffenden Laserstrahls (76) in einen ersten Teilstrahl (90) und einen zweiten Teilstrahl (92), sodass ein Querschnitt des ersten Teilstrahls (90) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) entspricht und ein Querschnitt des zweiten Teilstrahls (92) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen; - Drehen einer Polarisation des ersten Teilstrahls (90) oder des zweiten Teilstrahls (92) um 90°; - Vereinigen des zweiten Teilstrahls (92) und eines zweiten eintreffenden Laserstrahls (78) zu einem ersten vereinigten Laserstrahl (96); - Aufspalten des ersten vereinigten Laserstrahls (96) in einen dritten Teilstrahl (82) und einen vierten Teilstrahl (100), sodass ein Querschnitt des dritten Teilstrahls (82) einem ersten Abschnitt eines Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls (96) entspricht und ein Querschnitt des vierten Teilstrahls (100) einem zweiten Abschnitt des Querschnitts des ersten vereinigten Laserstrahls (96) entspricht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander abweichen und wobei der zweite Teilstrahl (92) des ersten eintreffenden Laserstrahls (76) vollständig im dritten Teilstrahl (82) des ersten vereinigten Laserstrahls enthalten ist; - Drehen einer Polarisation des vierten Teilstrahls (100) um 90°; und - Vereinigen des vierten Teilstrahls (100) und des ersten Teilstrahls (90) zu einem zweiten vereinigten Laserstrahl (80).