-
Es wird eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienförmigen Ausgangsstrahl beschrieben, sowie ein Lasersystem umfassend eine solche optische Anordnung.
-
Die genannten Lasersysteme dienen zur Erzeugung einer insbesondere hochintensiven Strahlung mit einer Intensitätsverteilung, die einen linienartig erstreckten Strahlquerschnitt aufweist. Im Folgenden wird die durch die linienartige Ausdehnung definierte Achse als „lange Achse“ der Intensitätsverteilung bezeichnet. Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird auch als „kurze Achse“ bezeichnet. Für die Beschreibung der geometrischen Verhältnisse sollen die lange Achse (x), die kurze Achse (y) und die Ausbreitungsrichtung (z) ein orientiertes, rechtshändiges, kartesisches Koordinatensystem definieren.
-
Derartige Strahlprofile werden beispielsweise eingesetzt, um Oberflächen von Gläsern oder Halbleitern zu bearbeiten (z.B. Tempering, Annealing). Hierbei wird das linienartige Strahlprofil im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse über die zu bearbeitende Oberfläche gescannt. Durch die Strahlung können z.B. Umkristallisationsprozesse, oberflächliche Schmelzungen, Diffusionsprozesse von Fremdmaterialien in das zu behandelnde Material oder sonstige Phasenumwandlungen im Bereich der Oberfläche ausgelöst werden. Derartige Bearbeitungsprozesse kommen z.B. bei der Herstellung von TFT-Displays, bei der Dotierung von Halbleitern, bei der Herstellung von Solarzellen, aber auch zur Herstellung ästhetisch ausgestalteter Glasoberflächen für Bauzwecke zum Einsatz.
-
Eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der
WO 2018/019374 A1 beschrieben. Des Weiteren offenbart die
DE 10 2006 018 504 A1 eine Anordnung zum Herstellen einer randscharfen Beleuchtungslinie sowie Anordnung zum Erhöhen der Asymmetrie des Strahlparameterproduktes. Zudem beschreibt die
DE 10 2008 033 358 A1 eine Vorrichtung und Verfahren zur Umverteilung des Strahlparameterproduktes eines Laserstahls.
-
Für die vorstehend genannten Bearbeitungsprozesse ist Voraussetzung, dass das Intensitätsprofil entlang der langen Achse einen möglichst homogenen, im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist. Das Prozessergebnis bei den genannten Bearbeitungsprozessen hängt aber auch stark von dem Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse ab. Beispielsweise können unbeabsichtigte Spitzen im Intensitätsverlauf oder zu steile Flanken des Intensitätsprofils die Umkristallisation einer Halbleiteroberfläche ungünstig beeinflussen oder zu thermischen Spannungen führen. Je nach Anwendungsgebiet kann es z.B. erwünscht sein, dass das Strahlprofil entlang der kurzen Achse einen bereichsweise konstanten Verlauf mit geneigt abfallenden Flanken aufweist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Intensitätsverteilung mit möglichst homogenem Intensitätsverlauf entlang der langen Achse bereitzustellen und die Eigenschaften des Intensitätsverlaufs entlang der kurzen Achse im Hinblick auf die gewünschten Prozessergebnisse zu verbessern. Insbesondere soll die Intensitätsverteilung für verschiedene Einsatzgebiete anpassbar sein.
-
Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die optische Anordnung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahles in einen Ausgangsstrahl mit linienartigem Intensitätsprofil. Insofern breitet sich der Ausgangsstrahl (im räumlichen Mittel) in eine Ausbreitungsrichtung aus und weist eine Intensitätsverteilung auf, welche in einer optischen Arbeitsebene der optischen Anordnung einen Strahlquerschnitt mit linienartigem Verlauf entlang einer Richtung aufweist, welche im vorliegenden Zusammenhang als „Linienrichtung“ bezeichnet wird.
-
Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine länglich ausgebildete Ausgangsapertur. Die Ausgangsapertur erstreckt sich länglich entlang einer Aperturlängsrichtung. Insofern ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Aperturlängsrichtung erheblich größer, als die Abmessung senkrecht zur Aperturlängsrichtung.
-
Die Umformoptik ist derart ausgebildet, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein Strahlpaket umgewandelt wird, welches in einer theoretischen Betrachtungsebene nach der Austrittsapertur insgesamt bereits eine Intensitätsverteilung mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter bildet. Das Strahlpaket umfasst insbesondere eine Vielzahl von Strahlsegmenten, die sich insbesondere über längliche Ausgangsapertur verteilen und die Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig ausfüllen.
-
Die optische Anordnung umfasst außerdem eine Homogenisierungsoptik, welche derart angeordnet ist, dass das aus der Umformoptik austretende Strahlpaket erfasst wird und welche dazu ausgebildet ist, das austretende Strahlpaket in das gewünschte, linienartige Intensitätsprofil umzuwandeln. Dabei ist die Homogenisierungsoptik derart ausgebildet, dass sie verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung durchmischt und überlagert und dadurch das Intensitätsprofil bezüglich der Linienrichtung homogenisiert wird.
-
Dabei verläuft die Aperturlängsrichtung nicht parallel zur Linienrichtung. Vielmehr verläuft die Aperturlängsrichtung bezüglich der Linienrichtung um die Ausbreitungsrichtung um einen nicht verschwindenden Drehwinkel verdreht. Insofern schließen die Aperturlängsrichtung und die Linienrichtung in Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (also in der x-y-Ebene) betrachtet den Drehwinkel miteinander ein. Der Drehwinkel kann als der im mathematisch positiven Sinn zwischen Linienrichtung und Aperturlängsrichtung eingeschlossene, spitze Winkel definiert sein (d.h. der ausgehend von der x-Achse des kartesischen Koordinantensystems im mathematisch positiven Sinne gemessene Winkel). Da für das optische Ergebnis im Wesentlichen die betragsmäßige Größe des Drehwinkels ausschlaggebend ist, kann der Drehwinkel auch durch den Betrag des zwischen Aperturlängsrichtung und Linienrichtung eingeschlossenen, spitzen Winkel definiert werden.
-
Aufgrund der genannten Ausgestaltung unterscheidet sich der Intensitätsverlauf des Ausgangsstrahls entlang der langen Achse (x) deutlich von dem Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse (y). Entlang der langen Achse (x) ist die Intensitätsverteilung aufgrund der Homogenisierungsoptik weitgehend homogen. Entlang der Linienrichtung bzw. langen Achse (x) weist die Intensitätsverteilung insofern einen weitgehend konstanten Verlauf auf und fällt am Rand mit vergleichsweise steilen Flanken ab (sog. „Top-Hat-Profil“).
-
Durch die Homogenisierungsoptik werden die Intensitäten der entlang der Aperturlängsrichtung benachbart austretenden Strahlsegmente additiv entlang der Linienrichtung überlagert. Aufgrund des verdrehten Verlaufes von Aperturlängsrichtung und Linienrichtung sind dabei benachbarte Strahlsegemente des Strahlpakets entlang der kurzen Achse (y) zueinander versetzt. Dies führt dazu, dass die Beiträge der einzelnen Strahlsegmente entlang der kurzen Achse ortsabhängig variieren und daher die Intensitätsverteilung nach Homogenisierung eine geneigte Flanke im Verlauf entlang der kurzen Achse aufweist. Die Neigung der Flanke bzw. die Flankensteilheit ist dabei von dem Drehwinkel abhängig und somit auch über den Drehwinkel kontinuierlich einstellbar. Wenn eine fest definierte Flankensteilheit erwünscht ist, kann die Halterung auch ortsfest ausgebildet sein oder die Ausgangsapertur entsprechend geneigt ausgebildet sein.
-
Somit weist der Ausgangsstrahl in einer Darstellung des Intensitätsprofils in Abhängigkeit einer Ortskoordinate entlang der kurzen Achse (x) aufgrund der Homogenisierung entlang der langen Achse (y) einen bereichsweise im Wesentlichen konstanten Wert auf und fällt beidseitig mit Flanken auf den Bezugswert (Null) ab.
-
Der Drehwinkel ist vorzugsweise größer als 0° und kleiner als 90°.
-
Um den Drehwinkel kontinuierlich einstellbar zu machen, kann die Umformoptik mittels einer einstellbaren Halterung in der optischen Anordnung gehaltert sein. Durch Veränderung des Drehwinkels kann wie erläutert die Flankensteilheit der Intensitätsverteilung entlang der kurzen Achse eingestellt werden und der Ausgangsstrahl somit an verschiedene Anwendungsgebiete angepasst werden. Vorzugsweise ist die Halterung derart ausgebildet, dass der Drehwinkel kontinuierlich einstellbar ist.
-
Die Umformoptik ist vorzugsweise dazu ausgebildet, bei Einstrahlung eines kohärenten Eingangslaserstrahls durch die Eingangsapertur (d.h. eines Eingangslaserstrahls, der über die gesamte Ausdehnung der Eingangsapertur räumliche Kohärenz aufweist) oder bei Einstrahlung eines zumindest partiell kohärenten Eingangslaserstrahls ein Strahlpaket zu erzeugen, das aus der Ausgangsapertur austritt und welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, vorzugsweise eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder inkohärent ist. Dadurch werden Interferenzeffekte bei der im Strahlengang nachfolgenden Homogenisierung reduziert bzw. gänzlich vermieden. Derartige Interferenzeffekte können zu unbeabsichtigten Intensitätsextrema führen und dadurch die Prozessergebnisse bei der eingangs beschriebenen Oberflächenbearbeitung beeinträchtigen.
-
Die beschriebene Reduzierung bzw. Aufhebung der räumlichen Kohärenz kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Umformoptik derart ausgebildet ist, dass für benachbarte Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls beim Durchtritt durch die Umformoptik unterschiedliche optische Weglängen bereitgestellt werden. Insbesondere ist die Umformoptik derart ausgestaltet, dass benachbarte Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls beim Durchtritt durch die Umformoptik derart umsortiert werden, dass die Strahlsegmente des austretenden Strahlpakets, welche durch die Ausgangsapertur austreten, unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt haben. Insbesondere ist die Umformoptik derart ausgestaltet, dass die optischen Weglängen für Strahlsegmente, die an gegenüberliegenden und randständigen Bereichen der Eingangsapertur eintreten, sich um einen Wert unterscheiden, der größer ist, als die Kohärenzlänge des Eingangslaserstrahls.
-
Vorzugsweise ist die Umformoptik plattenartig und einstückig aus einem Material ausgebildet, das für die Wellenlänge des Eingangslaserstrahls optisch durchlässig bzw. transparent ist. Die Umformoptik weist insofern eine Plattenvorderseite und eine im Wesentlichen parallel zur Plattenvorderseite verlaufende Plattenrückseite auf. Plattenvorderseite und Plattenrückseite bilden insofern die großen Begrenzungsflächen einer sich flächig erstreckenden Platte. Insbesondere ist ein Bereich der Plattenvorderseite als Eingangsapertur ausgestaltet, und ein Bereich der Plattenrückseite stellt die Ausgangsapertur bereit. Die Umformoptik ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls nach Einkopplung durch die Eingangsapertur durch mindestens einmalige, bevorzugs vielfache, Reflexion an der Plattenvorderseite und der Plattenrückseite zur Ausgangsapertur geleitet werden. Die Zahl der Reflexionen hängt insbesondere von der Einstrahlposition und dem Einstrahlwinkel an der Eingangsapertur ab. Insofern legen unterschiedliche Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls unterschiedliche optische Weglängen zurück. Insbesondere erfolgt die Reflexion derart, dass unterschiedliche (insbesondere benachbarte) Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls beim Durchlaufen der Umformoptik umsortiert werden und als Ausgangsstrahlsegmente durch die Ausgangsapertur austreten.
-
Die Eingangsapertur bzw. die Ausgangsapertur können insofern als volltransparente Lichteinkoppelfläche bzw. Lichtauskoppelfläche ausgebildet sein. Die übrigen Bereiche der Plattenvorderseite und der Plattenrückseite, die nicht als Eingangsapertur oder Ausgangsapertur wirken, können verspiegelt ausgestaltet sein, insbesondere mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein. Vorteilhaft können aber auch Ausgestaltungen sein, bei welchen die eingekoppelten Strahlen durch interne Totalreflexion zwischen Plattenvorderseite und Plattenrückseite geleitet werden, so dass eine reflektierende Beschichtung entfallen kann.
-
Durch die Ausrichtung der genannten Umformoptik lassen sich die Eigenschaften des austretenden Strahlpakets beeinflussen. Insbesondere ist die einstellbare Halterung für die Umformoptik derart ausgestaltet, dass auch Drehwinkel senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung einstellbar sind (insbesondere um x- und/oder y-Achse). Durch Verdrehung um die x-Achse und y-Achse werden die Positionen der Strahlsegmente beim Austreten aus der Austrittsapertur beeinflusst. Insbesondere ist ein Drehwinkel um die Aperturlängsrichtung einstellbar. Durch Verdrehung der Umformoptik um die Aperturlängsrichtung werden die Winkel und Positionen der Strahlsegmente beim Austreten aus der Ausgangsapertur beeinflusst. Insbesondere kann die Zahl der internen Reflexionen und somit die optischen Weglängen beim Durchgang durch die Umformoptik beeinflusst werden. Außerdem kann die Ausdehnung des austretenden Strahlpakets in Richtung senkrecht zur Aperturlängsrichtung und zur Ausbreitungsrichtung beeinflusst werden, d.h. die Ausdehnung des Linienprofils in der kurzen Achse (y).
-
Die einstellbare Halterung für die Umformoptik ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Umformoptik auch um eine Achse senkrecht zur Aperturlängsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung um einen Drehwinkel verdrehbar ist. Durch Verdrehung um diese Achse kann variiert werden, in welchem Ausmaß Strahlsegmente an der Ausgangsapertur voneinander separiert werden. Insofern kann die Längsausdehnung und Intensität der austretenden Strahlpakete beeinflusst werden.
-
Die Ausgangsapertur ist insbesondere als ebene Lichtaustrittsfläche ausgestaltet. Für die Ausgangsapertur können verschiedene geometrische Formen vorteilhaft sein. Insbesondere ist die Ausgangsapertur rechteckig ausgebildet und weist eine lange Rechteckseite auf, die parallel zur Aperturlängsrichtung verläuft. Die Ausgangsapertur kann jedoch auch trapezförmig, polygonal, bandartig oder freiformartig verlaufen und eine lange Vorzugsrichtung aufweisen, die sich parallel zur Aperturlängsrichtung erstreckt. Insofern weist die Ausgangsapertur grundsätzlich eine flächige Ausdehnung auf, welche entlang der Aperturlängsrichtung größer ist, als senkrecht zur Aperturlängsrichtung. Durch geeignete Formgebung für die Ausgangsapertur kann der genaue Intensitätsverlauf im Bereich der Flanken des Intensitätsprofils beeinflusst werden, das sich durch die nachfolgende Homogenisierung ergibt.
-
Die Homogenisierungsoptik wirkt vorzugsweise derart, dass verschiedene Strahlsegmente des Stahlpakets, welches aus der Umformoptik austritt, bezüglich einer Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung nicht durchmischt werden und/oder nicht miteinander überlagert werden. Beispielsweise umfasst die Homogenisierungsoptik wenigstens ein Zylinderlinsen-Array mit sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen, wobei die Zylinderachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Linienrichtung verlaufen, also entlang der kurzen Achse (y) orientiert sind. Die Zylinderlinsen sind insbesondere entlang der kurzen Achse (y) wölbungsfrei ausgebildet. Vorzugsweise sind die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt.
-
Denkbar ist auch, dass die Homogenisierungsoptik eine Fourierlinse umfasst, welche dazu eingerichtet ist, Strahlsegmente entlang der langen Achse bzw. der Linienrichtung zu überlagern und zu durchmischen. Hierzu kann beispielsweise die Arbeitsebene in einem Fokusbereich der Fourierlinse verlaufen. Denkbar ist beispielsweise, dass von jedem Bereich der erfassten Strahlung Strahlsegmente in verschiedene, vorzugsweise sämtliche, Bereiche entlang der Linienrichtung fokussiert werden.
-
Grundsätzlich kann die Homogenisierungsoptik derart ausgebildet sein, dass das aus der Umformoptik austretende Strahlpaket bezüglich der kurzen Achse optisch in die Arbeitsebene abgebildet wird.
-
Die genannten Ausgestaltungen bewirken insbesondere, dass der linienartige Ausgangsstrahl entlang der Linienrichtung (lange Achse y) durch ein großes Strahlparameterprodukt bzw. eine große Beugungsmaßzahl M2 charakterisiert ist, welche deutlich größer als das Strahlparameterprodukt bzw. die Beugungsmaßzahl bezüglich der kurzen Achse ist. Insofern weist der Ausgangsstrahl bezüglich der kurzen Achse y eine hohe Tiefenschärfe auf. Bei Verwendung der genannten optischen Anordnung im Lasersystem wird so die Justierung und Abstimmung der optischen Komponenten aufeinander vereinfacht.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Homogenisierungsoptik außerdem eine Transversaloptik, welche zur Fokussierung und/oder Abbildung des Strahlpakets bezüglich der kurzen Achse (y) in die Arbeitsebene oder in eine zur Arbeitsebene versetzte Fokusebene ausgebildet sein kann. Die Transversaloptik wirkt insofern zur Formung des Strahlprofils entlang der kurzen Achse. Insbesondere kann die Transversaloptik als Anordnung mit zwei oder mehr Sammellinsen ausgebildet sein, welche im Strahlengang aufeinander folgend angeordnet sind. Vorzugsweise wird mittels wenigstens einer Linse ein Zwischenfokus des Strahlpakets in einer mittleren Brennebene erzeugt. Je nach Ausgestaltung kann der Zwischenfokus dann mit wenigstens einer weiteren Linse in die Arbeitsebene abgebildet werden.
-
Zur weiteren Ausgestaltung umfasst die Homogenisierungsoptik einen optischen Tiefpassfilter zur Filterung hoher Raumfrequenzen bezüglich der kurzen Achse (y). Dadurch können Interferenzartefakte entlang der kurzen Achse (y) vermindert werden, welche zu unerwünschten Intensitätsspitzen in dem Ausgangsstrahl führen können. Solche Interferenzartefakte können beispielsweise beim Durchlaufen der Umformoptik entstehen. Durch die genannte Tiefpassfilterung wird ein geglätteter Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse erzielt und somit die Prozessergebnisse bei der Oberflächenbehandlung verbessert. Ein Tiefpassfilter kann bei der vorstehend beschriebenen Transversaloptik beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Winkelspektrum des Strahlpakets in die mittlere Brennebene der Linsenanordnung abgebildet wird, um dort die Tiefpassfilterung vorzunehmen. Beispielsweise kann in der mittleren Brennebene eine Schlitzblende angeordnet sein. Die Schlitzblende weist eine schlitzartige Blendenöffnung auf, welche insbesondere entlang der langen Achse (x) ausgedehnt ist. Vorzugsweise ist die Blendenöffnung rechteckig ausgebildet.
-
Die eingangs beschriebene Aufgabe wird auch durch ein Lasersystem zur Erzeugung von Strahlung mit einer Intensitätsverteilung mit linienartigem Intensitätsprofil gelöst. Das Lasersystem umfasst eine Laserlichtquelle zur Abgabe von Laserstrahlung sowie eine optische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art. Die optische Anordnung ist derart angeordnet, dass der Eingangslaserstrahl von der Laserlichtquelle gespeist wird.
-
Die Laserlichtquelle ist insbesondere für den Multi-Moden-Betrieb geeignet oder dazu ausgelegt. Die Laserstrahlung der Laserlichtquelle kann grundsätzlich direkt durch die Eingangsapertur eingestrahlt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass die Laserstrahlung vor Eintritt in die Eingangsapertur mittels einer Vorformoptik umgeformt wird. Die Vorformoptik kann beispielsweise als Kollimierungsoptik ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, so dass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist.
-
Die linienartige Intensitätsverteilung kann grundsätzlich direkt in der Arbeitsebene der Homogenisierungsoptik bereitgestellt werden, so dass der Ausgangsstrahl der Homogenisierungsoptik gerade der insgesamt abgegebenen Intensitätsverteilung des Lasersystems entspricht. Grundsätzlich wird die Intensitätsverteilung des Lasersystems in einer Prozessebene des Lasersystems bereitgestellt. Die Prozessebene kann von der Arbeitsebene der optischen Anordnung abweichen. Beispielsweise kann der Ausgangsstrahl noch mittels weiterer, im Strahlengang nachgeordneter Kollimierungs- und Fokussierungsoptiken umgelenkt und/oder umgeformt werden. Vorteilhaft kann auch sein, dass der Strahlengang nach der Homogenisierungsoptik noch durch Umlenkspiegel gefaltet wird. Dadurch kann der erforderliche Bauraum für das Lasersystem verringert werden.
-
Weitere Einzelheiten und mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben.
-
Es zeigen:
- 1: Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen;
- 2: Perspektivische Darstellung einer optischen Anordnung mit Vorformoptik, Umformoptik und Homogenisierungsoptik;
- 3: Skizzierte Darstellung einer Umformoptik;
- 4: Skizzierte Darstellung zur Erläuterung des Strahlengangs in einer Umformoptik;
- 5: Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik entlang der langen Achse (Linienrichtung);
- 6a) - 6d): Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik entlang der kurzen Achse (y);
- 7: Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Drehwinkel-Abhängigkeit des Intensitätsprofils;
- 8: Skizzierte Darstellung eines Intensitätsverlaufs entlang der kurzen Achse (y) zur Erläuterung der Flankensteigung; und
- 9: Abhängigkeit der Flankensteigung vom Drehwinkel (skizzierte Darstellung).
-
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
Die 1 zeigt in skizzierter Darstellung ein Lasersystem 10 zur Erzeugung von Strahlung mit einer Intensitätsverteilung L, welche einen linienförmigen Strahlquerschnitt in einer Prozessebene 12 aufweist.
-
Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 14 zur Abgabe von Laserstrahlung 16. Die Laserlichtquelle 14 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet. Die Laserstrahlung 16 speist, optional über eine Vorformoptik 18, einen Eingangslaserstrahl 20. Die Vorformoptik 18 kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung 16 in einen Eingangslaserstrahl 20 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen.
-
Der Eingangslaserstrahl 20 wird durch eine Umformoptik 22 geleitet und tritt aus dieser als Strahlpaket 24 aus. Das Strahlpaket 24 wird mittels einer Homogenisierungsoptik 26 in eine Ausgangsstrahl 28 umgewandelt, wie nachfolgend noch näher erläutert. Der Ausgangsstrahl 28 kann optional mittels einer Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 30 in die Intensitätsverteilung L überführt werden.
-
Für die Bearbeitung großer Flächen kann es erwünscht sein, ein sehr langgestrecktes, linienartiges Intensitätsprofil zu erzielen. Insofern ist es denkbar, mehrere Lasersysteme der genannten Art (10, 10') vorzusehen und derart anzuordnen, dass sich die Intensitätsverteilungen L, L' zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
-
Die Umformoptik 22 und die Homogenisierungsoptik 26 sind Teil einer optischen Anordnung 32, in welcher die eigentliche Umwandlung der von der Laserlichtquelle 14 abgegebenen Laserstrahlung 16 in die Linienform erfolgt. Die optische Anordnung 32 kann außerdem die Vorformoptik 18 und/oder die Kollimierungs-/Fokussierungsoptik 30 umfassen.
-
2 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der optischen Anordnung 32. Denkbar ist, dass die Laserstrahlung 16 zunächst mittels Umlenkspiegeln 34 und/oder Linsenmitteln 36 in den Eingangslaserstrahl 20 umgeformt wird. Im dargestellten Beispiel sind die optischen Elemente der Vorformoptik 18 derart ausgebildet, dass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt 38 aufweist. Ferner kann der Eingangslaserstrahl 20 von Laserstrahlung 16' wenigstens einer weiteren Laserlichtquelle gespeist werden. Die Laserstrahlungen 16, 16' der verschiedenen Laserlichtquellen können z.B. über einen gemeinsamen Umlenkspiegel 34 zusammengeführt werden (gepunkteter und gestrichelter Strahlengang in 2).
-
Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in 2 ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. Im dargestellten Beispiel breitet sich der Eingangslaserstrahl 20 entlang der z-Richtung aus. Der elliptische Strahlquerschnitt 38 weist eine lange Achse entlang der y-Achse auf und hat entsprechend entlang der x-Achse einen geringen Durchmesser.
-
Wie nachfolgend noch näher erläutert, formt die Umformoptik 22 den Eingangslaserstrahl 20 in ein Strahlpaket 24 um, welches mittels der Homogenisierungsoptik 26 in einen Ausgangsstrahl 40 umgewandelt wird, die sich in einer Arbeitsebene 42 der optischen Anordnung 32 linienartig entlang einer Linienrichtung (x) erstreckt.
-
Die 3 zeigt in skizzierter Darstellung die Umformoptik 22 in einer möglichen Ausgestaltungsform. Im dargestellten Beispiel ist die Umformoptik als einstückiger, plattenartiger Umformkörper 44 aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material ausgebildet.
-
Der Umformkörper 44 weist eine Plattenvorderseite 46 und eine parallel hierzu verlaufende Plattenrückseite 48 auf. Ein Bereich der Plattenvorderseite 46 dient als Lichteinkoppelfläche und stellt eine Eingangsapertur 50 der Umformoptik 22 bereit, durch welche der Eingangslaserstrahl 20 in den Umformkörper 44 eingekoppelt werden kann. Ein Bereich der Plattenrückseite 48 wirkt als Lichtauskoppelfläche und stellt eine Ausgangsapertur 52 bereit, durch welche das Strahlpaket 24 austritt.
-
Wie in 4 skizziert, wirkt die Umformoptik 22 insbesondere derart, dass benachbarte Strahlsegmente 54a, 54b, 54c des Eingangslaserstrahls 20 beim Durchlaufen der Umformoptik 22 in Strahlsegmente 56a, 56b, 56c des Strahlpakets 24 umsortiert werden. Dies erfolgt im darstellten Beispiel dadurch, dass die durch die Eingangsapertur 50 eingekoppelten Strahlsegmente 54a, 54b, 54c durch interne Reflexion in den Umformkörper 44 zwischen der Plattenvorderseite 46 und der Plattenrückseite 48 zur Ausgangsapertur 52 geleitet werden. Da die Strahlsegmente 54a bis 54c an verschiedenen Positionen durch die Eingangsapertur eingekoppelt werden, haben die aus der Ausgangsapertur 52 austretenden Strahlsegmente 56a bis 56c unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt. Der Umformkörper 44 ist insbesondere derart ausgebildet, dass die optischen Wege der verschiedenen Strahlsegmente 56a bis 56c derart verschieden voneinander sind, dass das Strahlpaket 24 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente 56a bis 56c groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der Laserstrahlung 16 sind.
-
Wie in 2 angedeutet, ist die Umformoptik 22 derart angeordnet, dass die Ausgangsapertur 52 bezüglich der Linienrichtung x um die z-Achse verdreht ist. Dies wird im dargestellten Beispiel durch einen Drehwinkel α charakterisiert, welcher den eingeschlossenen, spitzen Winkel zwischen einer Aperturlängsrichtung 58 der Ausgangsapertur 52 und der Linienrichtung x definiert. Die Aperturlängsrichtung 58 ist diejenige Richtung, entlang welcher sich die länglich ausgebildete (im dargestellten Beispiel rechteckige) Ausgangsapertur 52 erstreckt (vgl. 3).
-
Vorzugsweise ist die Umformoptik 22 mittels einer einstellbaren Halteeinrichtung 60 (in 2 skizziert dargestellt) in der optischen Anordnung 32 gehaltert. Die Halteeinrichtung 60 ist derart ausgebildet, dass der Drehwinkel α kontinuierlich einstellbar ist.
-
Die 5 stellt schematisch die Funktionsweise der Homogenisierungsoptik 26 dar. Grundsätzlich ist die Homogenisierungsoptik derart angeordnet, dass sie das Strahlpaket 24 erfasst und in den Ausgangsstrahl 40 umwandelt, welcher sich linienartig entlang der Linienrichtung (x) erstreckt. Dabei werden verschiedene Strahlsegmente 56a, 56b, 56c des Strahlpakets 24 miteinander durchmischt und überlagert, so dass sich in der Arbeitsebene 42 die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Insbesondere im Zusammenspiel mit der Umformoptik 22, welche vorzugsweise die Kohärenz des Eingangslaserstrahls weitgehend aufhebt, führt die Durchmischung und Überlagerung der Strahlsegmente des Strahlpakets 24 dazu, dass der Ausgangsstrahl 28 entlang der Linienrichtung x weitgehend homogen ist und einen im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist.
-
Beispielsweise kann die Homogenisierungsoptik 26 zumindest ein Zylinderlinsen-Array 62 aufweisen, welches auf die Strahlsegmente 56a, 56b, 56c, ... einwirkt, so dass sie sich in der Arbeitsebene 42 überlagern. Die Homogenisierungsoptik kann auch eine Fourierlinse 64 umfassen, welche zur Fokussierung bezüglich der x-Achse ausgebildet ist. Die Fourierlinse 64 ist insbesondere derart angeordndet, dass die Arbeitsebene 42 in einer Fokusebene der Fourierlinse 64 verläuft.
-
Die Homogenisierungsoptik 26 umfasst vorzugsweise auch eine Transversaloptik 66 (vgl. 6a), welche zur Fokussierung und/oder Abbildung des Strahlpakets 24 bezüglich der kurzen Achse y eingerichtet ist. Beispielsweise umfasst die Transversaloptik 66 eine erste Sammellinse 68 und eine im Strahlengang folgend angeordnete, zweite Sammellinse 70. In einer Brennebene 72 der ersten Sammellinse 68 entspricht die Intensitätsverteilung im Wesentlichen der Fouriertransformierten des Strahlpakets 24. Zur weiteren Ausgestaltung kann ein optischer Tiefpassfilter 74 vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Schlitzblende in der Brennebene 72. Der optische Tiefpassfilter 74 filtert hohe Raumfrequenzen bezüglich der kurzen Achse y. Vorzugsweise ist die zweite Sammellinse 70 derart angeordnet, dass die Brennebene 72 mit der objektseitigen Brennebene der zweiten Sammellinse 70 zusammenfällt.
-
Für die Transversaloptik 66 sind grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Insbesondere ist es nicht zwingend, einen symmetrischen Aufbau wie in 6a vorzusehen. Ebenso sind auch Anordnungen mit mehr als zwei Sammellinsen oder mit nur einer Sammellinse denkbar. In den 6b bis 6d sind entsprechende Beispiele skizziert. Die 6b zeigt eine Transversaloptik mit einer einzigen wirksamen Sammellinse 69, welche einen Zwischenfokus 71 für das Strahlpaket 24 erzeugt. In dem Zwischenfokus 71 kann eine Filterung der Raumfrequenzen erfolgen, z.B. mittels Tiefpassfilter 74. Die 6c zeigt eine Ausgestaltung mit dem grundsätzlichen Aufbau wie in 6a, wobei die Sammellinsen 68 und 70 unterschiedlichen Brennweiten aufweisen. Dadurch wird ein Abbildungsmaßstab ungleich 1:1 realisiert. In 6d ist ein Aufbau mit drei Sammellinsen skizziert. Die erste Sammellinse 68 erzeugt wiederum einen Zwischenfokus 71, in welchem die Filterung mit dem Tiefpassfilter 74 erfolgen kann. Das Filterungsergebnis wird mit einer Anordnung aus zwei Linsen 70a und 70b in die Arbeitsebene 42 abgebildet.
-
Anhand von 7 wird der Einfluss des Drehwinkels α zwischen Aperturlängsrichtung 58 und Linienrichtung x auf den Intensitätsverlauf des Ausgangsstrahls 28 entlang der kurzen Achse y erläutert. Die 7 zeigt in schematischer Darstellung die Ausgangsapertur 52, welche sich länglich entlang der Aperturlängsrichtung 58 erstreckt. Durch die Ausgangsapertur 52 treten im dargestellten Beispiel Strahlsegmente 56a bis 56f des Strahlpakets 24 aus.
-
Beim Durchlaufen der Homogenisierungsoptik 26 (vgl. 5) werden die Strahlsegmente 56a bis 56f bezüglich der langen Achse x (Linienrichtung) durchmischt und überlagert. Da aufgrund des Drehwinkels α jeweils benachbarte Strahlsegmente 56a bis 56f entlang der kurzen Achse y zueinander versetzt sind, führt die Durchmischung und Überlagerung dazu, dass der Ausgangsstrahl 28 entlang der kurzen Achse y einen trapezartigen Verlauf aufweist. Durch Einstellung des Drehwinkels α kann die Steigung von Flanken 76, des Intensitätsverlaufs des Ausgangsstrahls 28 entlang der kurzen Achse y beeinflusst werden.
-
Die 8 zeigt beispielhaft einen Verlauf der Intensität des Ausgangsstrahls 40 in der Arbeitsebene 42 in Abhängigkeit einer Ortskoordinate entlang der kurzen Achse y. Hierbei sind die Intensität I und die Ortskoordinate y in dimensionslosen Einheiten angegeben. Dargestellt ist der Ausgangsstrahl 40 für einen nichtverschwindenden Drehwinkel α zwischen der Aperturlängsrichtung 58 und der Linienrichtung x. Aufgrund der Homogenisierung durch die Homogenisierungsoptik 26 weist die Intensitätsverteilung 40 in einem mittigen Bereich 78 einen weitgehend konstanten Verlauf auf und fällt in Randbereichen mit Flanken 76 ab. Die Flanken 76 ergeben sich dadurch, dass aufgrund des Drehwinkels α in den Randbereichen die Strahlsegmente 56a, 56b, 56c, ... des Strahlpakets 24 geringere Beiträge zu dem Ausgangsstrahl 40 liefern. Die Steigung der Flanken 76 kann mittels der Breite eines Intervalls der Ortskoordinaten entlang der kurzen Achse y ermittelt werden, über welches Intervall die Intensität I von 10% auf 90% des Wertes im mittigen Bereich 78 ansteigt (vgl. 8). Hiermit kann ein Steigungsdreieck definiert werden, aus dem die Steigung als Quotient des Intensitätsanstiegs (80%) und dem dafür erforderlichen Intervall der Ortskoordinaten ermittelt werden kann.
-
In der 9 ist schematisch die Abhängigkeit der Steigung (m) der Flanken von dem Drehwinkel α dargestellt. Im Bereich kleiner Winkel (Kleinwinkelnäherung) nimmt die Steigung der Flanken 76 im Wesentlichen proportional zum Drehwinkel α ab.
