DE102018211972B4

DE102018211972B4 - Optische Anordnung zur variablen Erzeugung eines Multifoki-Profils, sowie Verfahren zum Betrieb und Verwendung einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102018211972B4
Application number: DE102018211972.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Tillkorn; Daniel Flamm; Julian Hellstern; Andreas Heimes; Li-Wen Chang
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER SE, DE
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: WO2020016362A1; KR20210033482A; CN112534309B; US11169387B2; KR102645478B1; JP7406540B2; US20210165234A1; CN112534309A; JP2021530740A; DE102018211972A1

Abstract

Optische Anordnung (1) zur Erzeugung eines Multifoki-Profils (20) aus einem zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl (3) mit einer Divergenz Θ<λ/(π*a), wobei die optische Anordnung (1) einen Strahlpfad (4) zur Verfügung stellt, nacheinander durchlaufend- mehrere Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4), wobei die Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) eine einheitliche Apertur a ihrer Mikrolinsen (5, 5a, 5b) aufweisen, und wobei die Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) eine effektive Brennweile faufweist, und- eine Fourierlinsenanordnung (6),dadurch gekennzeichnet,dass die optische Anordnung (1) eine Verstellmechanik (15) aufweist, mit der ein gegenseitiger optischer Abstand (d, d1, d2, t) zumindest einiger der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) im Strahlpfad (4) verstellbar ist, sodass die effektive Brennweite fder Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) einstellbar ist,und dass die Verstellmechanik (15) mehrere Verstellpositionen i=1,...,M, mit M: eine natürliche Zahl ≥ 2 und i:Verstellpositions-Index, aufweist, an denen der Termjeweils im Wesentlichen glatt eine natürliche Zahl Nergibt, so dassmit λ: mittlere Wellenlänge des Laserstrahls (3), f: durch die Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite fder Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Multifoki-Profils aus einem zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl mit einer Divergenz Θ<λ/(π*a),
wobei die optische Anordnung einen Strahlpfad zur Verfügung stellt, nacheinander durchlaufend

- mehrere Mikrolinsenarrays, wobei die Mikrolinsenarrays eine einheitliche Apertur a ihrer Mikrolinsen aufweisen, und wobei die Gesamtheit der Mikrolinsenarrays eine effektive Brennweile f_ML aufweist, und
- eine Fourierlinsenanordnung.

Eine solche Anordnung ist aus M. Zimmermann et al., „Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-line Generation", Proceedings of LPM2008-the 9th International Symposium on Laser Precision Microfabrication" bekannt geworden.
Laserprozesse werden vielfältig in modernen Fertigungsverfahren eingesetzt. Laserquellen stellen dabei einen erheblichen Kostenfaktor dar. Durch die Parallelisierung von Laserprozessen kann dabei die Produktivität erhöht werden. Durch so genannte Array-Generatoren (array generators) kann ein Laserstrahl auf mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden.
M. Zimmermann et al. schlagen eine optische Anordnung in der sogenannten Fliegenaugen (fly's eye) Geometrie mit zwei Mikrolinsenarrays der gleichen Brennweite vor, welche in einem Abstand entsprechend dieser Brennweite angeordnet sind. Ein eingehender Laserstrahl passiert die beiden Mikrolinsenarrays und eine Fourierlinse. In deren Brennebene werden mehrere Foki mit näherungsweise gleichverteilter Intensität erzeugt.
In vielen Anwendungsfällen für Laserprozesse kann die Anzahl der benötigten Foki je nach Produktionsauftrag variieren. Bei der aus M. Zimmermann et al. bekannten optischen Anordnung liegt die Anzahl der zur Verfügung gestellten Foki jedoch durch die eingesetzten beiden Mikrolinsenarrays fest.
Die DE 199 61 918 A1 beschreibt ein variables Doppelfokusformungsmodul. Refraktive Elemente werden als variabler optischer Keil eingesetzt. Die refraktiven Elemente werden durch zwei gegeneinander verschiebbare Zylinderlinsen gebildet.
Die KR 100 720 868 B1 beschreibt ein Lasersystem für Heilungszwecke, wobei ein Mikrolinsenarray dazu eingesetzt wird, einen Laserstrahl auf mehrere Laserspots aufzuteilen.
US 2005/0200820 A1 beschreibt eine Lithographie-Apparatur, bei der drei Mikrolinenarrays dazu eingesetzt werden, ein Muster von Teilstrahlen auf einem Substrat abzubilden.
Die US 2012/0013880 A1 beschreibt eine optische Einrichtung mit zwei Linsenarrays auf Basis von diffraktiven Linsen (DOE-Linsen), wobei der Abstand der beiden Linsenarrays über ein piezoelektrisches Element verstellbar ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der eine Anzahl von aus einem Laserstrahl erzeugten Foki auf einfache Weise variiert werden kann, wobei eine gleichmäßige Intensitätsverteilung erhalten wird.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Anordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass die optische Anordnung eine Verstellmechanik aufweist, mit der ein gegenseitiger optischer Abstand zumindest einiger der Mikrolinsenarrays im Strahlpfad verstellbar ist, sodass die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays einstellbar ist,
und dass die Verstellmechanik mehrere Verstellpositionen i=1,...,M, mit M: eine natürliche Zahl ≥2 und i:Verstellpositions-Index, aufweist, an denen der Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
jeweils im Wesentlichen glatt eine natürliche Zahl N_i ergibt, so dass $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}} - N_{i} \leq 0,2,$
mit λ: mittlere Wellenlänge des Laserstrahls, f_ML,i: durch die Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays.
Die Erfindung schlägt zusammenfassend vor, die optische Anordnung mit einer Verstellmechanik zu versehen, um die optischen Abstände zumindest einiger Mikrolinsenarrays im Strahlengang zu verstellen. Dadurch wird die effektive Brennweite der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays und damit die Anzahl der Foki im Multifoki-Profil (Multispot-Profil) einstellbar. Durch geeignete Wahl der Verstellpositionen kann erreicht werden, dass eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über die Foki erreicht wird.
Mit den mehreren Mikrolinsenarrays wird aus dem (zumindest im Wesentlichen) kollimierten Laserstrahl ein Winkelspektrum erzeugt, das mit der Fourierlinsenanordnung in eine Brennebene (typischerweise an einer Austrittspupille) abgebildet wird. Die Mikrolinsenarrays reihen Mikrolinsen in (zumindest) einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auf. In der Brennebene wird ein Multifoki-Profil mit gleichmäßigen Fokiabständen erzeugt, wobei die Foki (zumindest) in der Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufgereiht sind. Im einfachsten Fall wird ein Multifoki-Linienprofil erzeugt, mit Foki auf einer gemeinsamen Linie, aufgereiht in der Richtung, in der auch die Mikrolinsen (ausgebildet etwa als Zylinderlinsen) aufgereiht sind; es ist aber auch möglich, ein zweidimensionales Multifokus-Profil („Gitterprofil“) zu erzeugen, wenn Mikrolinsen in mehreren, linear unabhängigen Richtungen aufgereiht sind; hierbei können gesonderte Mikrolinsenarrays für jede der beiden Richtungen vorgesehen sein, etwa unter 90° gekreuzte Zylinderlinsenarrays, oder auch gemeinsame Mikrolinsenarrays mit Linsenkrümmung für beide Richtungen. Die Multifoki-Erzeugungen in beiden Richtungen sind grundsätzlich unabhängig voneinander. Im Folgenden wird daher vereinfachend die Multifokierzeugung bezüglich einer Richtung (bzw. bezüglich einer Ebene, die die Strahlausbreitungsrichtung und diese Richtung enthält) beschrieben.
Wenn der Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{ML, i}},$
der der vierfachen Fresnelzahl FZ der Mikrolinsenarrays entspricht, zumindest im Wesentlichen eine glatte (ganzzahlige) natürliche Zahl N_i ergibt, so ist die Ausleuchtung der Foki im Multifoki-Profil besonders gleichmäßig, d.h. an jedem der Foki wird eine näherungsweise gleiche Intensität erreicht (typischerweise mit einer Schwankungsbreite von weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10%, gegenüber dem Fokus mit der größten Intensität). Zudem gibt es kaum störende Randfelder.
Bei einem Multifoki-Linienprofil entspricht die zur Verstellposition i gehörende natürliche Zahl N_i der Anzahl der Foki (wenn N_i ungerade ist direkt, und wenn N_i gerade ist zusammen mit einem Phasenschieber, siehe unten). Entsprechendes gilt für zweidimensionale Mikrolinsenarrays jeweils für die Raumrichtungen, in denen die Mikrolinsen aufgereiht sind.
Über die Verstellmechanik kann die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays verändert werden, und insbesondere eine andere natürliche Zahl für den Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{ML, i}}$
eingestellt werden, um die Anzahl der Foki auf einfache Weise zu verändern und an eine nächste Arbeitsaufgabe anzupassen. Die Gesamtheit der Mikrolinsenarrays wird auch als abbildender Homogenisierer bezeichnet.
Es ist also nicht nötig, genau zwei Mikrolinsenarrays mit gleicher Brennweite zu wählen und im Abstand der dieser Brennweite anzuordnen, um ein Multifokus-Linienprofil zu erzeugen.
Die Verstellmechanik weist typischerweise Führungen (etwa Schienen) und/oder Schlitten für Mikrolinsenarray-Bauteile und/oder Spiegel und/oder andere strahlführende Bauteile auf, bevorzugt auch Sensoren zur Überprüfung der Position dieser Bauteile; besonders bevorzugt ist eine Motorisierung und elektronische Steuerung der Verstellmechanik eingerichtet. Die Verstellpositionen i werden typischerweise durch mechanische Verrastungen oder durch elektronische Programmierung festgelegt. Typischerweise sind Verstellpositionen zu wenigstens drei, bevorzugt wenigstens fünf, besonders bevorzugt wenigstens zehn verschiedenen Foki-Anzahlen einstellbar.
Die effektive Brennweite f_ML bezieht sich auf ein Strahlbündel zu jeweils einer Mikrolinse je Mikrolinsenarray im Strahlpfad. Eine optische Anordnung gemäß der Erfindung (ohne die Fourierlinsenanordnung), bezogen auf ein Strahlbündel zu jeweils einer Mikrolinse je Mikrolinsenarray im Strahlpfad, weist in der Schreibweise der Matrizenoptik, also als Abbildungsmatrix $(\begin{matrix} A & B \\ C & D \end{matrix}),$
typischerweise folgende Eigenschaften auf: D=0; |C| = 1/f_ML. Weiterhin gilt meist auch A<1 (für einen im Wesentlichen kollimierten Strahl); B ergibt sich dann abhängig von A, C, und D.
Mit der Verstellmechanik kann die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays verändert werden. Für zwei (dünne) Linsen kann beispielsweise eine effektive Brennweite f_E aus den Brennweiten der Einzellinsen f₁ , f₂ und dem Abstand ds der Linsen bestimmt werden gemäß dem Grundzusammenhang $\frac{1}{f_{E}} = \frac{1}{f_{1}} + \frac{1}{f_{2}} - \frac{ds}{f_{1} * f_{2}}$
Aus diesen Grundzusammenhang kann (nötigenfalls iterativ) die effektive Brennweite f_ML einer beliebigen Gesamtheit von Mikrolinsenarrays (im Rahmen der Erfindung umfassend meist drei oder vier Mikrolinsenarrays) im Strahlengang bestimmt werden.
In einem jeweiligen Mikrolinsenarray ist die Brennweite der Einzellinsen einheitlich. Der optische Abstand wird als die Weglänge entlang des Strahlpfads bestimmt.
Im einfachsten Fall wird ein jeweiliges Mikrolinsenarray im Strahlpfad durch ein eigenes Mikrolinsenarray-Bauteil realisiert. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Mikrolinsenarrays im Strahlpfad durch ein einziges Mikrolinsenarray-Bauteil realisiert werden, indem der Strahlpfad dieses Mikrolinsenarray-Bauteil entsprechend mehrfach durchläuft.
Die Apertur (auch genannt pitch) a ist die Breite einer jeweiligen Mikrolinse in einer Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung, also quer zum (lokalen) Strahlpfad.
Die optischen Anordnung kann auch eine Laserquelle mitumfassen, die den im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl mit der mittleren Wellenlänge λ bereitstellt, der den Strahlpfad durchläuft. Je größer die Divergenz des Laserstrahls, desto größer werden auch die Spots im Multifoki-Profil. Der Laserstrahl sollte zumindest soweit kollimiert sein, dass die Spots in der Brennebene der Fourierlinsenanordnung getrennt bleiben; typischerweise wird dafür die Divergenz Θ des Laserstrahls gewählt mit Θ<λ/(π*a) oder bevorzugt Θ<λ/(2*a).
Bevorzugte Ausführungsformen
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung, bei der an den Verstellpositionen i jeweils gilt: $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}} - N_{i} \leq 0,1,$
besonders bevorzugt ≤ 0,05. Je genauer der Term a²/(λ*f_ML,i) eine ganze Zahl ergibt, desto gleichmäßiger ist typischerweise die Intensitätsverteilung an den Foki des Multifoki-Profils. Je nach Anwendung kann die Anforderung an die Intensitätsverteilung variieren, etwa in Hinblick auf thermischen Transport in einem Schmelzbad im Falle eines Laserschweißprozesses. Unterhalb von 0,2 Abweichung von der ganzen Zahl kann meist bereits eine gute Gleichverteilung der Intensität erreicht werden, die für typische Anwendungen wie ein flächiges Schweißen ausreicht.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Strahlpfad wenigstens drei, bevorzugt wenigstens vier, Mikrolinsenarrays durchläuft. Mit drei oder vier Mikrolinsenarrays ist einerseits ein noch einfacher und kompakter Aufbau bei andererseits bereits recht flexibel einstellbarer Anzahl der Foki erreichbar. Man beachte, dass eine erfindungsgemäße optische Anordnung im Einzelfall auch schon mit zwei Mikrolinsenarrays aufgebaut werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Anordnung wenigstens eine Umlenkoptik, insbesondere einen Retroreflektor oder einen Spiegel, umfasst, und dass der Strahlpfad wenigstens ein Mikrolinsenarray-Bauteil mehrfach durchläuft. Dadurch kann die optische Anordnung besonders kompakt aufgebaut und verbilligt werden. Durch das mehrfache Durchlaufen des Mikrolinsenarray-Bauteils kann dieses im Strahlengang entsprechend mehrfach genutzt werden, wodurch Mikrolinsenarray-Bauteile eingespart werden können.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Verstellmechanik einen Schlitten umfasst, auf dem wenigstens zwei Mikrolinsenarray-Bauteile in festem Abstand angeordnet sind, und dass der Schlitten gegenüber wenigstens einem weiteren Mikrolinsenarray-Bauteil, bevorzugt wenigstens zwei Mikrolinsenarray-Bauteilen, entlang der Strahlausbreitungsrichtung verfahrbar ist. Durch die Anordnung zweier Mikrolinsenarray-Bauteile auf einem gemeinsamen Schlitten können die Freiheitsgrade der optischen Anordnung gezielt beschränkt bzw. vorgegeben werden, um die effektive Brennweite f_ML einfacher einstellen zu können.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein im Strahlpfad erstes und drittes Mikrolinsenarray ortsfest sind und ein im Strahlpfad zweites und viertes Mikrolinsenarray auf dem verfahrbaren Schlitten angeordnet sind oder umgekehrt, und dass für eine Brennweite f₁ des ersten und vierten Mikrolinsenarrays und eine Brennweite f₂ des zweiten und dritten Mikrolinsenarrays gilt: f₂=f₁/3. In diesem Fall verändern sich d und t linear mit 1/f_ML und damit linear mit der Anzahl der Spots (Foki), aber die Summe d+t bleibt konstant mit 1/f_ML , wobei d: Abstand zwischen erstem und zweiten Mikrolinsenarray sowie zwischen dritten und viertem Mutilinsenarray, und t: Abstand zwischen zweitem und drittem Mikrolinsenarray. Es besteht dann über einen gewissen Verstellbereich des Schlittens ein linearer Zusammenhang zwischen der Anzahl der Spots (Foki) und der Schlittenposition, wodurch sich die Zahl der Foki besonders komfortabel einstellen lässt. Man beachte, dass bei anderen Verhältnissen von f₁ und f₂ die Fokianzahl immer noch über die Schlittenposition einstellen lässt, der Zusammenhang aber nichtlinear ist, so dass in der Regel eine Kennlinie eingesetzt wird.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass die optische Anordnung weiterhin ein wellenlängendispersives Element, insbesondere ein Gitter, aufweist, das im Strahlpfad vor der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays angeordnet ist und dazu geeignet ist, den zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl mit der Divergenz Θ<λ/(π*a) in einer Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung spektral aufzuweiten,
und dass die Fourierlinsenanordnung mit einer in der Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung veränderlichen Brennweite ausgebildet ist. Die optische Anordnung kann in dieser Ausführungsform auch Laserlicht mit merklich unterschiedlichen Wellenlängenanteilen (wie sie etwa bei ultrakurzen Laserpulsen auftreten) exakt in ein Multifoki-Profil fokussieren. Sie ist so eingerichtet, dass wellenlängenbedingte Unterschiede der Fokiabstände (wie sie bei einer einheitlichen Fourierlinsen-Brennweite auftreten würden) durch die entlang der Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung (entlang der auch die unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Laserlichts aufgespalten sind) unterschiedliche Fourierlinsen-Brennweite gerade ausgeglichen werden. Die (vor allem äußeren) Foki werden dann nicht spektral verschmiert, sondern bleiben scharf. Vorzugsweise ist der Verlauf der Brennweite proportional zum spektralen Verlauf. Insbesondere kann eine mit der Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung linear veränderliche Brennweite angewandt werden; hierfür kann ein optisches Gitter eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Fourierlinsenanordnung als eine Freiformlinse mit einer in der Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung veränderlichen Linsenkrümmung ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen vergleichsweise einfachen Aufbau der optischen Anordnung. Falls gewünscht kann auch eine Kombination von mehreren Asphären bzw. Freiformlinsen für die Fourierlinsenanordnung eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die Verstellmechanik motorisiert ist und eine elektronische Steuervorrichtung aufweist, wobei in der elektronischen Steuervorrichtung die verschiedenen Verstellpositionen i programmiert sind und mittels der elektronischen Stuervorrichtung automatisiert anfahrbar sind. Dadurch ist ein komfortables uns schnelles Umschalten zwischen unterschiedlichen Fokizahlen möglich, wenn eine nächste Bearbeitungsaufgabe ansteht.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die optische Anordnung weiterhin einen Phasenschieber umfasst, mit dem beim Laserlicht ein Phasenversatz von n*π, mit n eine ungerade natürliche Zahl, zwischen den Strahlbündeln benachbarter Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays generierbar ist. Mit dem Phasenschieber ist es möglich, auch eine gerade Anzahl von Foki zu erzeugen. Wenn mit dem Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{ML,i}}$
eine gerade Zahl N_i im Wesentlichen glatt eingestellt wird, so wird dennoch eine ungerade Zahl (N_i+1) an Foki erhalten, da die nullte Ordnung zusätzlich auftritt. Durch den Phasenschieber wird eine destruktive Interferenz erreicht, durch die die nullte Ordnung eliminiert wird. Typischerweise beträgt der Phasenversatz π.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Phasenschieber als ein Phasenschieberelement ausgebildet ist, in welchem in der Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung alternierend erste Passierelemente und zweite Passierelemente ausgebildet sind, wobei das Passieren eines ersten Passierelements gegenüber dem Passieren eines zweiten Passierelements beim Laserlicht den Phasenversatz von n*π erzeugt, insbesondere wobei die ersten Passierelemente und zweiten Passierelemente jeweils eine Breite entsprechend der Apertur a aufweisen. Diese Bauform ist relativ einfach und ermöglicht auch ein einfaches Umschalten zwischen ungeraden und geraden Fokizahlen, indem das Phasenschieberelement je nach Bedarf in den Strahlengang hereingenommen oder aus dem Strahlengang herausgenommen wird. Die ersten Passierelemente können beispielsweise „leer“ sein, und die zweiten Passierelemente können ein Material enthalten, dessen Dicke so eingestellt ist, dass beim Passieren des (zumindest im Wesentlichen) kollimierten Laserlichts sich die gewünschte Phasenverschiebung ergibt.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Phasenschieber in eines der Mikrolinsenarrays integriert ist, insbesondere wobei die Profilierung des Mikrolinsenarrays am Übergang zweier benachbarter Multilinsen jeweils einen Dickensprung vorsieht, welcher beim Laserlicht den Phasenversatz von n*π erzeugt. Bei dieser Bauform kann ein separates Phasenschieberelement eingespart werden. Über die Breite eines Mikrolinsen-Apertur ändert sich beispielsweise die Dicke des Mikrolinsenarrays allmählich, so dass über die Breite der Mikrolinsenapertur ein Phasenversatz von n*π aufgebaut wird; diese Dickenänderung wird vom eigentlichen Linsenprofil überlagert. Ebenso ist es möglich, jede zweite Mikrolinse mit einer einheitlichen zusätzlichen Dicke auszubilden.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der wenigstens zwei der Mikrolinsenarrays im Strahlengang eine unterschiedliche Brennweite aufweisen. Dadurch kann die optische Anordnung freier gestaltet werden. Insbesondere können bei dieser Bauform drei Mikrolinsenarrays im Strahlengang eingesetzt werden, etwa mit einer Abfolge langbrennweitig - kurzbrennweitig - langbrennweitig. Alternativ ist es auch möglich, für alle Mikrolinsenarrays eine gleiche Brennweite vorzusehen, etwa bei vier oder mehr Mikrolinsenarrays im Strahlengang.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die optische Anordnung dazu ausgebildet ist, ein zweidimensional fokussiertes Multifokus-Profil zu erzeugen, wobei die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays in zwei linear unabhängigen Richtungen senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufgereiht sind,
insbesondere wobei die Aperturen a und die effektive Brennweiten f_ML,i in beiden linear unabhängigen Richtungen identisch sind. Dadurch ist es möglich, ein zweidimensionales Fokigitter zu erzeugen, mit dem beispielsweise flächige Schweißprozesse schneller durchgeführt werden können. Wählt man die Aperturen a und die effektiven Brennweiten f_ML,i in beiden Richtungen gleich (insbesondere wobei die Brennweiten der jeweils relevanten Mikrolinsenarrays für beide Richtungen gleich sind und zumindest näherungsweise an gleichen Orten im Strahlpfad angeordnet sind), so erhält man an den Verstellpositionen i in beiden Richtungen eine gleiche Fokianzahl N_i und eine gleichmäßige Intensitätsverteilung (durch in gleicher Weise „glatte“ Einstellung der natürlichen Zahl N_i). Es ist aber alternativ auch möglich, die Aperturen a und/oder die effektiven Brennweiten f_ML,i in beiden Richtungen unterschiedlich zu wählen (insbesondere wobei die Brennweiten der jeweils relevanten Mikrolinsenarrays in den beiden Richtungen unterschiedlich sind), etwa um eine unterschiedliche Fokianzahl in beiden Richtungen einzustellen und/oder um unterschiedliche Abstände der Foki in beiden Richtungen zu erhalten; man beachte aber, dass an den Verstellpositionen i auch dann für beide Richtungen jeweils eine im Wesentlichen glatte Zahl N_i des Terms $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
erreicht werden muss, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Foki zu erhalten. Typischerweise stehen die beiden linear unabhängigen Richtungen senkrecht zueinander, es ist aber auch möglich, eine andere gegenseitige Ausrichtung zu wählen, etwa einen 60°-Winkel für ein hexagonales Fokigitter.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen, oben beschriebenen optischen Anordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mit der Verstellmechanik zeitlich nacheinander unterschiedliche Verstellpositionen i aufgesucht werden, in denen mit dem Laserstrahl unterschiedliche Multifoki-Profile erzeugt werden, die eine unterschiedliche Anzahl N_i von Foki in einer Richtung, in der die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays aufgereiht sind, aufweisen. Die optische Anordnung wird dadurch flexibel eingesetzt, nämlich mit unterschiedlichen Fokizahlen bezüglich unterschiedlicher Bearbeitungsaufgaben für die Laserstrahlung, und der Aufwand für die Veränderung der Fokizahl ist gering. Insbesondere werden für die Veränderung keine Austauschbauteile benötig.
Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die vorsieht, dass mit der Verstellmechanik auch eine Verstellposition i aufgesucht wird, für die N_i eine ungerade Zahl ist. Während der Erzeugung des Multifoki-Linsenprofils in dieser Verstellposition i wird im Strahlengang kein Phasenschieber angeordnet. Dies ist besonders einfach.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der mit der Verstellmechanik auch eine Verstellposition i aufgesucht wird, für die N_i eine gerade Zahl ist, wobei während der Erzeugung des Multifoki-Profils in dieser Verstellposition i im Strahlengang ein Phasenschieber angeordnet wird, mit dem ein Phasenversatz von n*π, mit n eine ungerade natürliche Zahl, zwischen den Strahlbündeln benachbarter Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays generiert wird. Durch Verwendung des Phasenschiebers wird erreicht, dass die Anzahl der Foki auch N_i entspricht, indem die nullte Beugungsordnung eliminiert wird. Man beachte, dass der Phasenschieber in eines der Mikrolinsenarrays integriert sein kann oder ein separates Phasenschieberelement sein kann. Typischerweise beträgt der Phasenversatz π.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, die vorsieht, dass zur Erzeugung der Multilfokus-Linienprofile ein gepulster, zumindest im Wesentlichen kollimierter Laserstrahl mit einer Divergenz Θ<λ/(π*a) mit ultrakurzen Laserpulsen mit einer Dauer von 500 fs oder kürzer, bevorzugt 100 fs oder kürzer, eingesetzt wird, dass im Strahlpfad vor der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays ein wellenlängendispersives Element angeordnet wird, das den zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl mit der Divergenz Θ<λ/(π*a) in einer Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung spektral aufweitet,
und dass eine Fourierlinsenanordnung mit einer in der Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung veränderlicher Brennweite im Strahlengang hinter der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays verwendet wird. Bei Einsatz von ultrakurzen Laserpulsen kann sich das Spektrum (die Wellenlänge) des Laserlichts verbreitern. Die Verbreiterung des Spektrums des Laserlichts kann wiederum zu einer räumlichen Verschmierung von außen liegenden Foki führen, vor allem wenn die numerische Apertur der optischen Anordnung groß ist (bzw. eine große Anzahl von Foki erzeugt werden soll). Durch Einsatz des wellenlängendispersiven Elements und der Fourierlinsenanordnung mit veränderlicher Brennweite kann die räumliche Verschmierung der außenliegenden Foki unterbunden werden. Man beachte, dass das wellenlängendispersive Element und die Fourierlinsenanordnung mit veränderlicher Brennweite grundsätzlich bei allen Arten von Laserstrahlen von cw (continuous wave) bis fs (femto-Sekunden) eingesetzt werden kann, und räumliche Verschmierungen aufgrund unterschiedlicher Wellenlängenanteile unabhängig von ihrer Ursache ausgleichen kann.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt die Verwendung einer erfindungsgemäßen, oben beschriebenen optischen Anordnung oder eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahrens zur additiven Fertigung von Objekten, wobei mit wenigstens einem Multifoki-Profil, insbesondere Multifoki-Linienprofil, eine Schicht von pulverförmigem Material flächig aufgeschmolzen oder flächig gesintert wird. Im Rahmen der Erfindung kann eine Anzahl von Foki zum flächigen Aufschmelzen oder Sintern einer Oberfläche flexibel gewählt werden, und insbesondere schnell über die Anzahl der Foki an eine Breite der zu bearbeiteten Oberfläche angepasst werden. Dadurch können Objekte besonders schnell und präzise additiv gefertigt werden. Man beachte, dass die Foki unabhängig von ihrer Anzahl stets den gleichen Abstand aufweisen. Die Anzahl der Foki kann innerhalb einer zu fertigenden Schicht und/oder von einer Schicht zu einer nächsten und/oder von einem Objekt zum nächsten durch Änderung der Verstellposition mit der Verstellmechanik geändert werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung, mit vier Mikrolinsenarrays im Strahlpfad;
2 zeigt eine Multifokus-Linienprofil, das mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung erzeugt werden kann;
3 zeigt ein zweidimensionales Multifoki-Profil, das mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung erzeugt werden kann;
4 zeigt eine erste alternative Bauform zur optischen Anordnung von 1 gemäß der Erfindung, mit Spiegel und zwei Mikrolinsenarray-Bauteilen;
5 zeigt eine zweite alternative Bauform zur optischen Anordnung von 1 gemäß der Erfindung, mit vier Mikrolinsenarray-Bauteilen und einem gemeinsamen Schlitten für zwei der Mikrolinsenarray-Bauteile;
6 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit von d, t und f_ML für die Bauform von 5, im Falle von Teilbild (a) mit f₂=f₁/3, und im Falle von Teilbild (b) mit f₂≠f₁/3;
7 zeigt Diagramme zur Intensitätsverteilung in der Brennebene der Fourierlinsenanordnung einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung für verschieden eingestellte Werte von 4FN, nämlich 4FN=5 (a oben), 4FN=7 und 7,5 (b Mitte), 4FN=9 (c unten);
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem Teilausschnitt, mit drei Mikrolinsenarrays im Strahlpfad;
9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem Teilausschnitt, mit einem Phasenschieberelement im Strahlpfad;
10 zeigt weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem Teilausschnitt, mit drei Mikrolinsenarrays im Strahlpfad und Phasenschieber integriert
- - in einen hinterstes Mikrolinsenarray mit alternierend eingerichteter Zusatzdicke (a),
- - in ein hinterstes Mikrolinsenarray mit sägezahnartig eingerichteter Zusatzdicke (b), und
- - in ein mittleres Mikrolinsenarray mit sägezahnartig eingerichteter Zusatzdicke (c);
11 zeigt ein Phasenschieberelement in Aufsicht für eine optische Anordnung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Multifoki-Profils;
12 zeigt ein zweidimensionales Multifoki-Linienprofil, das mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einem Phasenschieber erzeugt werden kann;
13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung, mit wellenlängendispersivem Element und Fourierlinsenanordnung mit räumlich veränderlicher Brennweite;
14 zeigt die Verwendung von erfindungsgemäß erzeugten Multifoki-Linienprofilen beim Aufschmelzen einer Schicht pulverförmigen Materials für die schichtweise Fertigung eines Metallkörpers, im Teilbild (a) mit zeilenweiser Abrasterung bei nicht-überlappenden Schmelzbädern und im Teilbild (b) ohne zeilenweise Abrasterung mit überlappenden Schmelzbädern.

Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1.
Die optische Anordnung 1 verfügt über eine Laserquelle 2, hier das Ende einer Lichtleitfaser, aus der ein Single-Mode Laserstrahl 3 austritt. Der Laserstrahl 3 ist zumindest bezüglich einer Richtung x senkrecht zu einer Strahlausbreitungsrichtung z kollimiert und durchläuft in der optischen Anordnung 1 einen Strahlpfad 4 entlang der x-Richtung.
Im Strahlpfad 4 passiert der Laserstrahl 3 hier vier Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4. Jedes Mikrolinsenarray MLA1-MLA4 verfügt über in x-Richtung aufgereihte Mikrolinsen 5 mit einer Apertur a; die Apertur a gemessen entlang der x-Richtung ist für alle Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 gleich. Die Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 bzw. deren Mikrolinsen 5 können alle unterschiedliche Brennweiten f₁-f₄ aufweisen; innerhalb eines jeweiligen Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 ist (bezüglich der Krümmung entlang der x-Richtung) die Brennweite f1-f4 der Mikrolinsen 5 einheitlich.
Optional kann hier zwischen den Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 ein Spiegel angeordnet sein (vgl. 4 unten).
Durch die Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 wird jeder Punkt einer jeweiligen Mikrolinse (vgl. Apertur a) in der Ebene des ersten Mikrolinsenarrays MLA1 in einen Winkel abgebildet, also ein Winkelspektrum erzeugt. Dieses Winkelspektrum wird mit einer Fourierlinsenanordnung 6 in einer Brennebene 7 abgebildet.
In der Brennebene 7 einsteht ein Multifokus-Profil (vgl. 2 und 3).
Aus den Brennweiten f₁-f₄ der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 und den relativen Positionen der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 entlang des Strahlpfades 4 bzw. entlang der z-Richtung ergibt sich eine effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit 8 des Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4. Die Gesamtheit der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 wird auch als abbildender Homogenisierer bezeichnet.
Die optische Anordnung 1 verfügt über eine Verstellmechanik 15, mit der zumindest einige der gegenseitigen Abstände der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 verstellt werden können. Beispielsweise kann wie in 1 dargestellt für jedes Mikrolinsenarray MLA1-MLA4 ein eigener, auf einer Führung 9 (etwa einer Zahnstange) motorisch verfahrbarer Schlitten 11-14 (etwa mit einem in die Zahnstange eingreifenden angetriebenen Zahnrad) vorgesehen sein, wobei die Schlitten über eine elektronische Steuervorrichtung 10 angesteuert werden können. In der Steuervorrichtung 10 sind mehrere Verstellpositionen für die Gesamtheit 8 der Mikrolinsenarrays MLA-MLA4 abgespeichert, wobei eine jeweilige Verstellposition anzufahrende Sollpositionen bezüglich der z-Richtung für die Schlitten 11-14 umfasst. Man beachte, dass in anderen Bauformen die Positionen von einigen Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 gekoppelt und/oder ortsfest sein können (siehe auch 4, 5).
Durch Änderung der Verstellposition kann die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit 8 der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 verändert werden. Die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit 8 der Mikrolinsenarrays ML1-ML4 entspricht einer Brennweite f* eines klassischen Homogenisierers mit gleichen Abbildungseigenschaften (Anmerkung: ein klassischer Homogenisierer besitzt zwei Mikrolinsenarrays gleicher Brennweite f*, die im Abstand ihrer Brennweite f* zueinander angeordnet sind).
Im Rahmen der Erfindung kann die Verstellmechanik 15 mehrere Verstellpositionen i=1,...,M einstellen, für die jeweils der Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
im Wesentlichen glatt (also mit keinem oder nur geringfügigem Rest) eine natürliche Zahl N_i ergibt, mit f_ML,i effektive Brennweite in der Verstellposition i. Typischerweise ergeben die unterschiedlichen Verstellposition i unterschiedliche natürliche Zahlen N_i mit einem Fehler von weniger als 0,2, bevorzugt weniger als 0,1, besonders bevorzugt weniger als 0,05. Dann ergibt sich ein im Wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchtetes Mikrofokus-Profil in der Brennebene 7.
Man beachte, dass unter Weglassung der Fourierlinsenanordnung 6 mit der optischen Anordnung 1 auch ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Winkelspektrum erhalten werden könnte; eine solche abgewandelte Anordnung könnte als effizienter Strahlteiler eingesetzt werden.
Die 2 zeigt ein mit einer optischen Anordnung wie in 1 dargestellt erzeugtes Mikrofokus-Profil 20, hier Mikrofokus-Linienprofil 21. In x-Richtung übereinander auf einer Linie werden hier fünf Foki erzeugt; die zugehörige Verstellposition i hat demnach N_i=5. Die Mikrolinsenarrays weisen in diesem Fall nur in x-Richtung gereihte Mikrolinsen auf, nicht jedoch in y-Richtung. In y-Richtung ist der Laserstrahl in der Brennebene fokussiert worden, etwa mit einer Zylinderlinse zwischen der Laserquelle und dem im Strahlpfad ersten Mikrolinsenarray (in 1 nicht näher dargestellt).
Falls die Mikrolinsenarrays der optischen Anordnung auch in y-Richtung aufgereihte Mikrolinsen aufweisen, etwa durch einen entsprechenden Schliff bezüglich beider Richtungen x, y, kann mit der optischen Anordnung auch ein zweidimensionales Mikrofoki-Profil 22 erzeugt werden, vgl. 3. In y-Richtung übereinander und in y-Richtung nebeneinander werden hier fünf mal fünf Foki erzeugt, die in einem hier quadratischen Gitter angeordnet sind.
Die 4 zeigt einen Teilausschnitt einer optischen Anordnung 1, deren Strahlpfad 4 der optischen Anordnung von 1 entspricht, in einer speziellen Bauform. Es werden vor allem die Unterschiede zur 1 erläutert.
Bei dieser Bauform werden die Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA4 durch ein einziges Mikrolinsenarray-Bauteil MB1 mit Brennweite f₁ realisiert, und die Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 werden durch ein einziges Mikrolinsenarray-Bauteil MB2 mit Brennweite f₂ realisiert. Der Strahlpfad 4 geht zunächst durch die Mikrolinsenarray-Bauteile MB1 und MB2, wird dann an einem Spiegel 40 reflektiert und geht dann nochmals durch die Mikrolinsenarray-Bauteile MB2 und MB1; anschließend erreicht der Strahlpfad 4 die Fourierlinsenanordnung 6. Dadurch kann die optische Anordnung 1 mit nur zwei Mikrolinsenarray-Bauteilen MB1, MB2 auskommen.
Die Verstellmechanik 15 kann beispielsweise mit auf der Führung 9 verfahrbaren Schlitten 11, 12 für die Mikrolinsenarray-Bauteile MB1 und MB2 ausgebildet sein, die durch die elektronische Steuevorrichtung (hier nicht dargestellt) angesteuert werden.
Bei dieser Bauform kann lediglich der Abstand d zwischen den Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA2, der gleich dem Abstand d zwischen den Mikrolinsenarrays MLA3 und MLA4 ist, sowie der Abstand t zwischen den Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 verstellt werden. Dabei können d und t unabhängig voneinander verstellt werden.
Für eine gewünschte effektive Brennweite f_ML können die einzustellenden Abstände d und t bei gegebener Brennweite f₁ der Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA4 sowie gegebener Brennweite f₂ der Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 wie folgt erhalten werden: $d = \frac{f_{M L} f_{1} + f_{M L} f_{2} + f_{1} f_{2}}{f_{1} + f_{M L}}$
und $t = f_{2} \frac{f_{1}^{2} f_{2} - f_{M L}^{2} f_{2} + 2 f_{M L} f_{1}^{2}}{f_{M L} f_{1}^{2}}$
Die gewünschte bzw. erforderliche Brennweite f_ML , um eine gewünschte Fokianzahl N zu erhalten, ergibt sich aus $f_{M L} = \frac{a^{2}}{λ N}$
Die 5 zeigt einen Teilausschnitt einer optischen Anordnung 1, deren Strahlpfad 4 der optischen Anordnung von 1 entspricht, in einer weiteren speziellen Bauform. Es werden wiederum vor allem die Unterschiede zur 1 erläutert.
Bei dieser Bauform geht der Strahlpfad 4 nacheinander durch vier Mikrolinsenarray-Bauteile MB1-MB4, die jeweils ein Mikrolinsenarray MLA1-MLA4 für den Strahlpfad 4 zur Verfügung stellen. Die Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA4 haben jeweils die Brennweite f1, und die Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 haben jeweils die Brennweite f2. Die Mikrolinsenarray-Bauteile MB1 und MB3 sind hier ortsfest angeordnet, und die Mikrolinsenarray-Bauteile MB2 und MB4 sind auf einem gemeinsamen Schlitten 50 in einem festen Abstand (von hier d+t) angeordnet. Der gemeinsame Schlitten 50 ist mit einer elektronischen Steuervorrichtung (nicht dargestellt) motorisch auf einer Führung 9 verfahrbar, die in Strahlausbreitungsrichtung z verläuft, wodurch die Verstellmechanik 15 ausgebildet ist.
Verschiedene Verstellpositionen des gemeinsamen Schlittens 50 können mit Rastausnehmungen 51, 52, 53 vorgegeben sein, an denen ein federbelastetes Rastelement 54 des Schlittens 50 eingreifen kann, um die jeweilige Verstellposition leicht auffindbar und gut einhaltbar zu machen.
Bei dieser Bauform gelten ebenfalls die oben erläuterten Gleichungen 1 bis 3 zur Bestimmung von d, t und f_ML .
Durch Verfahren des gemeinsamen Schlittens 50 in z-Richtung können d und t verändert werden, wobei aber die Summe d+t gleich bleibt. Wird nun f₂=f₁/3 gewählt, so kann mit diesem einen Freiheitsgrad der Verstellmechanik 15 die Anzahl der Foki N in einem weiten Bereich 60 linear durchgestimmt bzw. verstellt werden, denn in diesem Fall skalieren d und t hier näherungsweise gegengleich linear mit 1/f_ML , sodass die Summe von d und t als Funktion von 1/f_ML näherungsweise konstant bleibt, vgl. die 6, Teilbild (a). In dieser Figur sind d, t und (d+t)/2 nach oben aufgetragen (in Einheiten von f₁ ), jeweils als Funktion der Größe 1/f_ML (in Einheiten von 1/f₁), die nach rechts aufgetragen ist. In dem Bereich 60 des Teilbilds (a) ungefähr zwischen 1/f_ML von 0,8/f₁ bis 2,0/f₁ liegt die besagte lineare Abhängigkeit vor. Wählt man f₂=f₁/2, also f₂≠f₁/3, wie in Teilbild (b) der 6 dargestellt, so ändert sich (d+t)/2 und somit die Summe d+t als Funktion von 1/f_ML , was zu einer nichtlinearen Abhängigkeit der Anzahl der Foki N als Funktion der Verstellposition des Schlittens, vgl. Bereich 61; die Verstellung der Anzahl der Foki ist dann auch möglich, aber weniger intuitiv.
Die 7 veranschaulicht die Intensitätsverteilung auf die Foki eines Multifoki-Profils in Abhängigkeit von der Größe des Terms $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}} = 4 FN,$
mit FN: Fresnelzahl. Nach rechts ist jeweils die Position in x-Richtung aufgetragen, nach obeneine Intensität der Laserstrahlung in der Brennebene (in willkürlichen Einheiten).
Wird 4FN genau zu N_i=5 gewählt (indem ein für die Wellenlänge λ der Laserquelle und die Apertur/Pitch a der Mikrolinsenarrays geeignete effektive Brennweite f_ML,1 an der Verstellposition i eingestellt wird), so ergeben sich fünf Peaks mit nahezu gleicher Intensität, vgl. oberes Diagramm (a). Entsprechendes gilt für eine Wahl 4FN=9, wobei sich neun Peaks näherungsweise gleicher Intensität ergeben, vgl. unteres Diagramm (c). Im mittleren Diagramm (b) sind die Intensitätsverläufe für 4FN=7 und 4FN=7,5 dargestellt. Für 4FN=7 ergeben sich wiederum sieben Peaks näherungsweise gleicher Intensität. Für 4FN=7,5 jedoch werden jedoch neun Peaks erhalten: Die beiden äußeren Peaks 71 haben eine geringe, aber merkliche Intensität. Der dritte, fünfte und siebente Peak, jeweils markiert mit Bezugszeichen 72, haben eine mittelhohe Intensität. Diese ist aber deutlich kleiner als die Intensität des zweiten, vierten, sechsten und achten Peaks, jeweils markiert mit Bezugszeichen 73.
Je genauer die Größe 4FN, also der Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}},$
die gewünschte Peakanzahl N_i einhält, desto gleichmäßiger ist die Verteilung der Intensität über die erzeugten Peaks.
Man beachte, dass der Abstand g der Foki in den drei Verstellpositionen für N_i=5, 7 und 9 überall gleich ist, da der Abstand g nur von der Wellenlänge λ der Laserstrahlung, der Apertur (Pitch) a der Mikrolinsen und der Brennweite f_FL der Fourierlinsenanordnung abhängt, nicht aber von der effektiven Brennweite f_ML,i des Homogenisierers.
Die 8 zeigt einen Teilausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer optischen Anordnung 1 für die Erfindung. Bei dieser Ausführungsform passiert der Strahlpfad 4 drei Mikrolinsenarrays MLA1, MLA2, MLA3 mit Brennweiten f1, f2, f3, die jeweils über einzelne Mikrolinsenarray-Bauteile MB1, MB2, MB3 realisiert sind. Eine Verstellmechanik 15 erlaubt es, hier die Positionen von Schlitten 11, 13, die die Mikrolinsenarray-Bauteile MB1 und MB3 tragen, motorisch über eine elektronische Steuervorrichtung (nicht dargestellt) zu verstehen, und damit den Abstand d1 zwischen den Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA2 sowie den Abstand d2 zwischen den Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 unabhängig voneinander einzustellen. Das Mikrolinsenarray-Bauteil MB2 ist hier ortsfest ausgebildet.
Für eine gewünschte effektive Brennweite f_ML können die einzustellenden Abstände d1 und d2 bei gegebenen Brennweiten f₁ , f₂ , f₃ wie folgt erhalten werden: $d_{1} = f_{2} (1 + \frac{f_{M L}}{f_{3}})$
und $d_{2} = f_{2} + f_{3} + \frac{f_{2} f_{3}}{f_{M L}}$
Die gewünschte bzw. erforderliche Brennweite f_ML , um eine gewünschte Fokianzahl N zu erhalten, ergibt sich wiederum aus $f_{M L} = \frac{a^{2}}{λ N}$
Für die Erzeugung von ungeraden Anzahlen N_i von Foki kann die Gesamtheit der Mikrolinsenarrays zusammen mit der Fourierlinsenanordnung wie etwa in 1 dargestellt direkt eingesetzt werden. Für die Erzeugung einer geraden Zahl von Foki wird zusätzlich ein Phasenschieber 90 eingesetzt, vgl. die in einem Teilsausschnitt dargestellte Ausführungsform einer optischen Anordnung 1 von 9. Der Phasenschieber 90 erzeugt am Übergang 91 zwischen den Strahlbündeln benachbarter Mikrolinsen 5a, 5b einen Phasensprung von π, entsprechend einer optischen Weglängendifferenz von λ/2. Dadurch wird die nullte Beugungsordnung elliminiert, die bei geradzahligen N_i zusätzlich zu den gewünschten N_i Foki von der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays MLA1, MLA2 erzeugt wird.
In der in 9 gezeigten Ausführungsform ist im Strahlengang 4 direkt hinter dem letzten Mikrolinsenarray MLA2 ein Phasenschieberelement 93 angeordnet, welches in der x-Richtung, in der die Mikrolinsen 5, 5a, 5b hintereinander aufgereiht sind, alternierend erste Passierelemente 94 und zweite Passierelemente 95 ausbildet, fluchtend mit den Mikrolinsen 5, 5a, 5b bzw. den zugehörigen Strahlbündeln. Die Passierelemente 94, 95 haben also eine Breite in x-Richtung entsprechend der Apertur a. Die ersten Passierelemente 94 erzeugen hier einen Phasenversatz von 0 (null) über ihre gesamte Breite in x-Richtung, und die zweiten Passierelemente 95 erzeugen hier einen Phasenversatz von π über ihre gesamte Breite in x-Richtung.
Das Phasenschieberelement 93 kann hier bei Bedarf aus dem Strahlengang 4 herausgenommen werden (etwa in -x-Richtung herausgezogen werden) oder wieder in den Strahlengang 4 eingefahren werden, je nachdem ob eine ungerade oder gerade Zahl an Foki erzeugt werden soll. Hierfür kann auch ein Motor und eine elektronische Steuervorrichtung eingesetzt werden. In 9 ist zur Vereinfachung die erfindungsgemäß vorhandene Verstellmechanik nicht dargestellt.
Es ist aber auch möglich, einen Phasenschieber 90 in ein Mikrolinsenarray zu integrieren, vgl. 10.
In der unter (a) links gezeigten Variante ist hier das Mikrolinsenarray MLA3 mit einem integrierten Phasenschieber 90 versehen. Am Übergang 92 der benachbarten Mikrolinsen 5a, 5b findet hier ein Dickensprung 96 statt, der den Phasenversatz von π erzeugt. Die durch den integrierten Phasenschieber 90 vorgesehene zusätzliche Dicke des Mikrolinsenarrays wird über die ganze Breite einer jeweiligen Mikrolinse 5b gleichmäßig beibehalten, und bei den alternierenden Mikrolinsen 5a fehlt diese zusätzliche Dicke.
In der unter (b) in der Mitte gezeigten Variante, wobei der Phasenschieber 90 wiederum in das Mikrolinsenarray MLA3 integriert ist, findet am Übergang 92 benachbarter Mikrolinsen 5a, 5b auch ein Dickensprung 96 statt. Jedoch ändert sich die zusätzliche Dicke einer jeweiligen Mikrolinse 5a, 5b entlang der x-Richtung, hier linear zunehmend von 0 (null) zusätzlicher Dicke bis zu einer zusätzlichen Dicke entsprechend der Phasendifferenz π über die Breite der Mikrolinse 5a, 5b. Diese Sägezahl-Profilierung ist bei allen Mikrolinsen 5a, 5b vorgesehen.
In der unter (c) gezeigten Variante rechts ist der Phasenschieber 90 im mittleren Mikrolinsenarray MLA2 integriert. Auch hier ist ein Dickensprung 96 am Übergang 92 zwischen benachbarten Mikrolinsen 5a, 5b vorgesehen. Die zusätzliche Dicke einer jeweiligen Mikrolinse 5a, 5b entlang der x-Richtung nimmt hier linear zu von einem Ausgangswert z0 zusätzlicher Dicke bis zu einer zusätzlichen Dicke entsprechend z0 plus der Dicke entsprechend der Phasendifferenz π über die Breite der Mikrolinse 5a, 5b. Der Ausgangswert z0 dient dazu, den Ort des Phasensprungs bezüglich der x-Richtung näherungsweise an die Fokusebene der Mikrolinsenarrays MLA1 zu bringen. Die Sägezahl-Profilierung ist wiederum bei allen Mikrolinsen 5a, 5b vorgesehen.
Allgemein wird der Phasenschieber 90 bevorzugt näherungsweise in die Fokusebene eines jeweiligen Mikrolinsenarrays (bzw. einer jeweiligen Subapertur) gelegt, oder aber direkt hinter das letzte Mikrolinsenarray im Strahlengang 4.
Man beachte wiederum, dass in 10 die erfindungsgemäß vorhandenen Verstellmechaniken zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
Man beachte, dass bei erfindungsgemäßen optischen Anordnungen, die zur Erzeugung eines zweidimensionalen Multifoki-Profils ausgebildet sind und entsprechend in zwei linear unabhängigen Richtungen, etwa x und y in 1, senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, vgl. z in 1, aufgereihte Mikrolinsen in Mikrolinsenarrays aufweisen, zur Erzeugung von geraden Fokizahlen in diesen beiden Richtungen x, y wirkende Phasenschieber 90 eingesetzt werden müssen, vgl. 11. Der in 11 gezeigte Phasenschieber 90, ausgebildet als ein Phasenschieberelement 93, weist in beiden Richtungen x, y alternierende erste und zweite Passierelemente 94, 95 auf.
Die 12 zeigt ein zweidimensionales Multifoki-Profil 22, das in x- Richtung und y-Richtung jeweils vier Foki aufweist, so dass ein 4x4-Gitter von Foki erzeugt wird. Dafür kann ein Phasenschieber wie in 11 dargestellt eingesetzt werden. Man beachte, dass die Abstände g der Foki sich ergeben aus $g = (λ {*f}_{FL}) / a$
mit f_FL: Brennweite der Fourierlinsenanordnung. Die Abstände g sind insbesondere grundsätzlich unabhängig von der Anzahl der aufgereihten Mikrolinsen im Mikrolinsenarray der betreffenden Richtung.
Die 13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1. Zur Vereinfachung ist die erfindungsgemäß vorhandene Verstellmechanik der Gesamtheit 8 der Mikrolinsenarrays MLA1, MLA2 nicht dargestellt.
Bei dieser optischen Anordnung 1 dient als Laserquelle 2 eine gepulste Laserquelle, mit Pulslängen in der Größenordnung von 100 fs. Bei dieser Laserquelle 2 hat der Lasterstrahl 3 Strahlanteile über einen merklich ausgedehnten Wellenlängenbereich, hier von λ1 über λ2 bis λ3. Hierbei ist λ₁ = λ₀ - Δλ,λ₂ = λ₀ und λ₃ = λ₀ + Δλ. Hierbei ist 2Δλ die spektrale Breite und λ₀ die mittlere Wellenlänge des Laserpulses.
Wie aus Gleichung 6 ersichtlich, hängt der Abstand g der Foki in der Brennebene 7 bzw. im Multifoki-Profil von der Wellenlänge λ der Laserstrahlung ab. Im Falle von Laserstrahlung mit einer merklichen Wellenlängenverteilung drohen daher die Foki in der Richtung x, in der die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays MLA1, MLA2 aufgereiht sind, spektral zu verschmieren, insbesondere wenn eine große Anzahl von Foki erzeugt werden soll bzw. die numerische Apertur der Gesamtheit 8 der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA2 entsprechend groß ist.
Daher wird in der gezeigten Ausführungsform mit einem wellenlängendispersiven Element 100, hier einem Reflektionsgitter, der Laserstrahl 3 spektral aufgespreizt, vgl. Strahlanteile λ1, λ2, λ3. Mittels einer Linse 101 werden die Strahlanteile sodann bezüglich (zumindest) der x-Richtung kollimiert und laufen parallel zueinander in z-Richtung, aber spektral aufgeteilt in x-Richtung über die Breite D. Die Strahlanteile λ1, λ2, λ3 werden sodann in der Gesamtheit 8 der Mikrolinsenarrays MLA1, MLA2 abgebildet (vgl. 1); hierbei bleibt die spektrale Aufteilung der Strahlanteile λ1, λ2, λ3 über die x-Richtung im Wesentlichen erhalten.
Bei der Abbildung mittels der Fourierlinsenanordnung 6 werden nunmehr die unterschiedlichen spektralen Anteile λ1, λ2, λ3 wieder berücksichtigt. Gemäß Gleichung 6 hängt der Abstand g der Foki auch von der Brennweite f_FL der Fourierlinsenanordnung 6 ab. Da die unterschiedlichen spektralen Anteile λ1, λ2, λ3 die Fourierlinsenanordnung an unterschiedlichen Orten bezüglich der x-Richtung erreichen, kann die Brennweite der Fourierlinsenanordnung in x-Richtung veränderlich ausgebildet werden, um den Effekt der unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 auf den Abstand g auszugleichen. Vorliegend ist die Fourierlinsenanordnung entsprechend als eine Freiformlinse 102 mit einer in x-Richtung, also quer zur Strahlausbreitungsrichtung z, veränderlichen lokalen Linsenkrümmung ausgestattet. Dadurch kann ein spektral unverschmiertes, scharfes Multifoki-Profil 20 in der Brennebene 7 erhalten werden.
Die 14 zeigt die Verwendung von erfindungsgemäß erzeugten Multifoki-Linienprofilen 20 bei der additiven Fertigung eines dreidimensionalen Objekts 110, das durch schichtweises, lokales Aufschmelzen von Pulver, etwa Metallpulver oder Kunststoffpulver, hergestellt wird. Die 14 zeigt eine Aufsicht auf eine zu fertigende Schicht. Diese soll in einem L-förmigen Bereich verfestigt werden, nämlich in der Zone 111 über seine volle Breite und in der Zone 112 nur über einen Teil seiner Breite, so dass in einer Zone 113 keine Verfestigung erfolgt.
Zum Aufschmelzen des Pulvers der Schicht in der Zone 111 wird ein Multifoki-Linienprofil 21a mit hier vier Foki in Teilbild (a) oder sechs Foki in Teilbild (b) eingesetzt. Mit den Foki wird in der Variante des Teilbilds (a) die Zone 111 zeilenweise abgerastert; die Schmelzbäder 114 überlappen hier nicht in Richtung ihrer Aufreihung (Vorschub entlang der Richtung der Aufreihung innerhalb einer Zeile, Vorschub senkrecht zur Richtung der Aufreihung für Zeilenwechsel). In der Variante des Teilbilds (b) überlappen die Schmelzbäder 114 in Richtung ihrer Aufreihung, so dass hier die Zone 111 ohne zeilenweises Abrastern abgearbeitet werden kann (Vorschub nur senkrecht zur Richtung der Aufreihung). Zum Aufschmelzen in der Zone 112 wird hingegen ein Multifoki-Linienprofil 21b mit nur zwei Foki in Teilbild (a) oder drei Foki in Teilbild (b) eingesetzt. Das Multifoki-Linienprofil 21b ist schmal genug, so dass die Zone 113 nicht aufgeschmolzen wird. Die Umschaltung zwischen den Multifoki-Linienprofilen 21a, 21b erfolgt durch Ändern der Verstellposition einer Verstellmechanik, wobei eine effektive Brennweite f_ML des Homogenisierers eingestellt wird. Man beachte, dass die Abstände der Foki entlang der Richtung ihrer Aufreihung in den Zonen 111 und 112 innerhalb eines jeden Teilbilds (a), (b) gleich ist, nur die Anzahl der Foki verändert sich zwischen den Zonen 111 und 112. Durch den Einsatz der Multifoki-Profile kann die Fertigung des dreidimensionalen Objekts beschleunigt werden.
Bezugszeichenliste

1: optische Anordnung
2: Laserquelle
3: Laserstrahl
4: Strahlengang
5: Mikrolinse
5a, 5b: Mikrolinse
6: Fourierlinsenanordnung
7: Brennebene
8: Gesamtheit der Mikrolinsenarrays / Homogenisierer
9: Führung
10: elektronische Steuervorrichtung
11-14: Schlitten
15: Verstellmechanik
20: Multifoki-Profil
21: Multifoki-Linienprofil
21a: Multifoki-Linienprofil (mit vier Foki)
21b: Multifoki-Linienprofil (mit zwei Foki)
22: zweidimensionales Multifoki-Profil
40: Spiegel
50: gemeinsamer Schlitten
51-53: Rastausnehmungen
54: federbelastetes Rastelement
60: Bereich
61: Bereich
71: äußere Peaks
72: dritter/fünfter/siebenter Peak
73: zweiter/vierter/sechster/achter Peak
90: Phasenschieber
91: Übergang (Strahlbündel)
92: Übergang (Passierelemente)
93: Phasenschieberelement
94: erstes Passierelement
95: zweites Passierelement
96: Dickensprung
100: wellenlängendispersives Element
101: Linse
102: Freiformlinse
110: dreidimensionales Objekt
111: Zone zum Verfestigen
112: Zone zum Verfestigen
113: Zone nicht zum Verfestigen
114: Schmelzbad
a: Apertur / Pitch
d: Abstand (MLA1 zu MLA2 und MLA3 zu MLA4)
D: Breite (spektral aufgespreizter Laserstrahl)
d1: Abstand (MLA1 zu MLA2)
d2: Abstand (MLA2 zu MLA3)
f1-f4: Brennweiten
f_ML: effektive Brennweite (Homogenisierer)
f_FL: Brennweite (Fourierlinsenanordnung)
FN: Fresnelzahl
g: Abstand (Foki)
MB1-MB4: Mikrolinsenarray-Bauteile
MLA1-MLA4: Mikrolinsenarrays
t: Abstand (MLA2 zu MLA3)
x: Richtung (senkrecht Strahlausbreitungsrichtung)
y: Richtung (senkrecht Strahlausbreitungsrichtung)
z: Richtung (Strahlausbreitungsrichtung)
z₀: Ausgangswert zusätzliche Dicke
λ: Wellenlänge (Laserstrahl)
λ1, λ2, λ3: Wellenlängenanteile / Strahlanteile (Laserstrahl)

Claims

Optische Anordnung (1) zur Erzeugung eines Multifoki-Profils (20) aus einem zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl (3) mit einer Divergenz Θ<λ/(π*a), wobei die optische Anordnung (1) einen Strahlpfad (4) zur Verfügung stellt, nacheinander durchlaufend - mehrere Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4), wobei die Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) eine einheitliche Apertur a ihrer Mikrolinsen (5, 5a, 5b) aufweisen, und wobei die Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) eine effektive Brennweile f_ML aufweist, und - eine Fourierlinsenanordnung (6), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) eine Verstellmechanik (15) aufweist, mit der ein gegenseitiger optischer Abstand (d, d1, d2, t) zumindest einiger der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) im Strahlpfad (4) verstellbar ist, sodass die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) einstellbar ist, und dass die Verstellmechanik (15) mehrere Verstellpositionen i=1,...,M, mit M: eine natürliche Zahl ≥ 2 und i:Verstellpositions-Index, aufweist, an denen der Term $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
jeweils im Wesentlichen glatt eine natürliche Zahl N_i ergibt, so dass $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}} - N_{i} \leq 0,2,$
mit λ: mittlere Wellenlänge des Laserstrahls (3), f_ML,i: durch die Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4).
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verstellpositionen i jeweils gilt: $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}} - N_{i} \leq 0,1$
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlpfad (4) wenigstens drei Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) durchläuft.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlpfad (4) wenigstens vier Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) durchläuft.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) wenigstens eine Umlenkoptik umfasst, und dass der Strahlpfad (4) wenigstens ein Mikrolinsenarray-Bauteil (MB1-MB2) mehrfach durchläuft.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmechanik (15) einen Schlitten (11-14; 50) umfasst, auf dem wenigstens zwei Mikrolinsenarray-Bauteile (MB1-MB4) in festem Abstand (d+t) angeordnet sind, und dass der Schlitten (11-14; 50) gegenüber wenigstens einem weiteren Mikrolinsenarray-Bauteil (MB1-MB4) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (z) verfahrbar ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Strahlpfad (4) erstes und drittes Mikrolinsenarray (MLA1, MLA3) ortsfest sind und ein im Strahlpfad (4) zweites und viertes Mikrolinsenarray (MLA2, MLA4) auf dem verfahrbaren Schlitten (11-14; 50) angeordnet sind oder umgekehrt, und dass für eine Brennweite f₁ des ersten und vierten Mikrolinsenarrays (MLA1, MLA4) und eine Brennweite f₂ des zweiten und dritten Mikrolinsenarrays (MLA2, MLA3) gilt: f₂=f₁/3.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) weiterhin ein wellenlängendispersives Element (100) aufweist, das im Strahlpfad (4) vor der Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) angeordnet ist und dazu geeignet ist, den zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl (3) mit der Divergenz Θ<λ/(π*a) in einer Richtung (x) quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) spektral aufzuweiten, und dass die Fourierlinsenanordnung (6) mit einer in der Richtung (x) quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) veränderlichen Brennweite (f_FL) ausgebildet ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fourierlinsenanordnung (6) als eine Freiformlinse (102) mit einer in der Richtung (x) quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) veränderlichen Linsenkrümmung ausgebildet ist.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmechanik (15) motorisiert ist und eine elektronische Steuervorrichtung (10) aufweist, wobei in der elektronischen Steuervorrichtung (10) die verschiedenen Verstellpositionen i programmiert sind und mittels der elektronischen Steuervorrichtung (10) automatisiert anfahrbar sind.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) weiterhin einen Phasenschieber (90) umfasst, mit dem beim Laserlicht ein Phasenversatz von n*π, mit n eine ungerade natürliche Zahl, zwischen den Strahlbündeln benachbarter Mikrolinsen (5, 5a, 5b) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) generierbar ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (90) als ein Phasenschieberelement (93) ausgebildet ist, in welchem in der Richtung (x) quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) alternierend erste Passierelemente (94) und zweite Passierelemente (95) ausgebildet sind, wobei das Passieren eines ersten Passierelements (94) gegenüber dem Passieren eines zweiten Passierelements (93) beim Laserlicht den Phasenversatz von n*π erzeugt.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Passierelemente (94) und zweiten Passierelemente (95) jeweils eine Breite entsprechend der Apertur a aufweisen.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (90) in eines der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) integriert ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) am Übergang (92) zweier benachbarter Multilinsen (5, 5a-5b) jeweils einen Dickensprung (96) vorsieht, welcher beim Laserlicht den Phasenversatz von n*π erzeugt.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) im Strahlengang (4) eine unterschiedliche Brennweite (f₁-f₄) aufweisen.
Optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) dazu ausgebildet ist, ein zweidimensional fokussiertes Multifokus-Profil (22) zu erzeugen, wobei die Mikrolinsen (5, 5a, 5b) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) in zwei linear unabhängigen Richtungen (x, y) senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung (z) aufgereiht sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturen a und die effektive Brennweite f_ML,i in beiden linear unabhängigen Richtungen (x, y) identisch sind.
Verfahren zum Betrieb einer optischen Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verstellmechanik (15) zeitlich nacheinander unterschiedliche Verstellpositionen i aufgesucht werden, in denen mit dem Laserstrahl (3) unterschiedliche Multifoki-Profile (20) erzeugt werden, die eine unterschiedliche Anzahl N_i von Foki in einer Richtung (x, y), in der Mikrolinsen (5, 5, 5b) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) aufgereiht sind, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verstellmechanik (15) auch eine Verstellposition i aufgesucht wird, für die N_i eine ungerade Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verstellmechanik (15) auch eine Verstellposition i aufgesucht wird, für die N_i eine gerade Zahl ist, wobei während der Erzeugung des Multifoki-Profils (20) in dieser Verstellposition i im Strahlengang (4) ein Phasenschieber (90) angeordnet wird, mit dem ein Phasenversatz von n*π, mit n eine ungerade natürliche Zahl, zwischen den Strahlbündeln benachbarter Mikrolinsen (5, 5a, 5b) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Multilfokus-Profile (20) ein gepulster, zumindest im Wesentlichen kollimierter Laserstrahl (3) mit einer Divergenz Θ<λ/(π*a) und mit ultrakurzen Laserpulsen mit einer Dauer von 500 fs oder kürzer eingesetzt wird, dass im Strahlpfad (4) vor der Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) ein wellenlängendispersives Element (100) angeordnet wird, das den zumindest im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl (3) mit der Divergenz Θ<λ/(π*a) in einer Richtung (x) quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) spektral aufweitet, und dass eine Fourierlinsenanordnung (6) mit einer in der Richtung (x) quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) veränderlicher Brennweite (f_FL) im Strahlengang (4) hinter der Gesamtheit (8) der Mikrolinsenarrays (MLA1-MLA4) verwendet wird.
Verwendung einer optischen Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 22 zur additiven Fertigung von Objekten (110), wobei mit wenigstens einem Multifoki-Profil (20) eine Schicht von pulverförmigem Material flächig aufgeschmolzen oder flächig gesintert wird.