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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl, sowie ein Lasersystem umfassend eine solche optische Anordnung.
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Solche 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 linienartigen Ausdehnung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird auch als „kurze Achse“ bezeichnet. Für die Beschreibung der geometrischen Verhältnisse des Strahls soll jeweils ein lokales Koordinatensystem angenommen werden, wobei die lange Achse (x), die kurze Achse (y) und die Ausbreitungsrichtung (z) ein orientiertes, rechtshändiges, kartesisches Koordinatensystem definieren.
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Die genannten linienartigen 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.
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Eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der
WO 2018/019374 A1 beschrieben.
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Für die vorstehend genannten Bearbeitungsprozesse ist es wichtig, dass das Intensitätsprofil entlang der langen Achse einen möglichst homogenen, im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist und das Intensitätsprofil entlang der kurzen Achse entsprechenden Güteanforderungen gerecht wird. In der Praxis weist das Intensitätsprofil jedoch regelmäßig lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auf, welche z.B. durch Interferenzartefakte (bspw. regelmäßige Beugungsmuster), und/oder Defekte und Formfehler von Optiken (bspw. Aberrationsfehler), und/oder Verunreinigungen von Optiken durch Partikel (führen zu einem Schattenwurf auf der Arbeitsebene) hervorgerufen werden.
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Zur Reduktion von Interferenzartefakten ist es bekannt, eine Position des Laserstrahls entlang der langen Achse mittels Spiegeln periodisch hin- und her zu bewegen und auf diese Weise einen störenden Einfluss auf den Intensitätsverlauf im zeitlichen Mittel zu glätten. Eine entsprechende optische Anordnung ist beispielsweise in
US 2011/0097906 A1 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, einen möglichst homogenen Intensitätsverlauf bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 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. Da der Strahl beim Durchlaufen der optischen Anordnung je nach Ausgestaltung einmal oder mehrfach umgelenkt werden kann, ist die Linienrichtung derart zu verstehen, dass der Strahlquerschnitt lokal entlang der Linienrichtung in die Länge gezogen ist.
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Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur. Die Ausgangsapertur erstreckt sich insbesondere länglich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung. Insbesondere ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung erheblich größer als die Abmessung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung.
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Die Umformoptik ist derart ausgebildet, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket umgewandelt wird. Insbesondere bildet das Strahlpaket in einer theoretischen Betrachtungsebene nach der Ausgangsapertur insgesamt bereits eine längliche Intensitätsverteilung, insbesondere bereits mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter. Das Strahlpaket umfasst eine Vielzahl von Strahlsegmenten, die sich insbesondere über die vorzugsweise längliche Ausgangsapertur verteilen und die Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig ausfüllen.
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Ein Strahlpaket bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Lichtverteilung, welche mathematisch durch ein Vektorfeld beschrieben werden kann, wobei jedem Raumpunkt lokal der Poynting-Vektor des zugehörigen elektromagnetischen Feldes zugeordnet ist.
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Die Umformoptik ist insbesondere dazu ausgebildet, aus einem weitgehend kohärenten Eingangslaserstrahl ein Strahlpaket zu erzeugen, welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder sogar im Wesentlichen inkohärent ist.
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Die optische Anordnung umfasst außerdem eine Homogenisierungsoptik, welche dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung zu überlagern und zu durchmischen, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich derjenigen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlquerschnitt länglich erstreckt.
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Die Homogenisierungsoptik umfasst ein erstes Linsen-Array und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array. Ein Linsen-Array bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Anordnung von mehreren Linsen. Die Anordnung der Linsen kann unregelmäßig sein oder die Linsen können in einem regelmäßigen Muster nebeneinander angeordnet sein.
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Die optische Anordnung umfasst ferner ein der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachgeschaltetes Transformationslinsenmittel. Das Transformationslinsenmittel ist derart ausgebildet, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem linienartigen Ausgangsstrahl überlagert und homogenisiert werden. Insofern trägt das Transformationslinsenmittel insbesondere auch zur Homogenisierung bei. Hierzu kann beispielsweise die Arbeitsebene in einem Fokusbereich des Transformationslinsenmittels verlaufen. Denkbar ist beispielsweise, dass von jedem Bereich der erfassten Strahlung Strahlsegmente in verschiedene, vorzugsweise sämtliche, Bereiche entlang der Linienrichtung fokussiert werden.
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Die optische Anordnung umfasst ferner eine Verlagerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array der Homogenisierungsoptik relativ zu dem ersten Linsen-Array der Homogenisierungsoptik zu verlagern.
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Eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array bewirkt u.a. eine Veränderung der Intensitätsverteilung des aus der Homogenisierungsoptik austretenden (durchmischten) Strahlpakets (im Folgenden wird das aus der Homogenisierungsoptik austretende durchmischte Strahlpaket auch als „Zwischenstrahlpaket“ bezeichnet). Insbesondere bewirkt eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets und/oder eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets (d.h. des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt des gesamten Zwischenstrahlpakets).
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Eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets (mit anderen Worten eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung des Zwischenstrahlpakets) hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket unter einem veränderten Winkel auf das Transformationslinsenmittel trifft, welches der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachfolgt. Eine derartige Winkeländerung an dem Transformationslinsenmittel führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten kann also durch Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls räumlich verschoben werden. Dies ermöglicht es, durch zeitabhängige Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array den Ausgangsstrahl zeitabhängig räumlich zu verschieben und somit störende Interferenzeffekte im zeitlichen Mittel zu glätten.
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Eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets hat hingegen zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket an einer veränderten Position auf das Transformationslinsenmittel trifft. Eine solche räumliche Verschiebung des Zwischenstrahlpakets führt u.a. zu einer Veränderung der Winkelverteilung der Strahlkomponenten des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten wird durch Veränderung der räumlichen Position des Zwischenstrahlpakets eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls verändert.
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Durch zeitabhängige Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array können insofern solche Bereiche, welche der optischen Anordnung im Strahlengang nachgeschaltet sind, (bspw. weitere Optikmittel) aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Verunreinigungen im Strahlengang nach der optischen Anordnung (bspw. partikuläre Verunreinigungen auf nachfolgenden Optikmitteln) werden folglich ebenfalls zeitabhängig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, sodass ein von diesen Verunreinigungen erzeugter Schattenwurf zeitabhängig verändert und somit im Mittel geglättet wird. Hierdurch können durch Schattenwurf erzeugte Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden. Zudem können Inhomogenitäten, welche sich aus Formungenauigkeiten von Optiken ergeben, reduziert werden.
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Zusammenfassend ermöglicht es eine derartige optische Anordnung also, lokale Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im zeitlichen Mittel zu glätten und somit ein deutlich verbessertes Prozessergebnis bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken zu erzielen.
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Vorzugsweise ist die Verlagerungseinrichtung dazu ausgebildet, das zweite Linsen-Array relativ zu dem ersten Linsen-Array in einem wiederkehrenden Bewegungsmuster zu verlagern. Insbesondere sind die Zeitskalen der Veränderung so kurz im Vergleich zu den Prozesszeiten des Anwendungsgebiets der optischen Anordnung, dass effektiv eine räumlich homogene Intensität entlang der Linienrichtung wirksam ist. Wiederkehrend heißt insbesondere, dass eine Ausgangskonfiguration immer wieder eingenommen oder durchlaufen wird, in der Art einer Schwingbewegung. Diese Schwingbewegung kann grundsätzlich periodisch oder nicht-periodisch sein. Es ist denkbar, dass das zweite Linsen-Array um eine Referenzposition hin- und her bewegt wird. Vorzugsweise erfolgt eine wiederkehrende Bewegung aber nicht periodisch mit festgelegter Frequenz, sondern mit variierender, insbesondere zufällig variierender, Frequenz und/oder Amplitude, insbesondere chaotisch. Vorzugsweise liegen dominierende Frequenzbeiträge in einem Bereich von 50-150 Hz, insbesondere in einem Bereich von 75-125 Hz (dies bedeutet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere, dass das Fourierspektrum des Bewegungsmusters eine vergleichsweise hohe Amplitude bei den sogenannten dominierenden Frequenzbeträgen aufweist).
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Um einen besonders homogenen Intensitätsverlauf entlang der Linienrichtung zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn die Verlagerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array entlang der Linienrichtung hin- und her zu bewegen. Dann wird der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls ebenfalls entlang der Linienrichtung, also entlang der langen Achse, hin- und her bewegt. Vorzugsweise erfolgt eine hin- und her Bewegung mit variierender, insbesondere zufällig variierender, Frequenz, wobei dominierende Frequenzbeiträge dabei insbesondere in einem Bereich von 50-150 Hz liegen, weiter insbesondere in einem Bereich von 75-125 Hz.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Verlagerungseinrichtung einen Gehäuserahmen und eine Halteeinrichtung zur Halterung des zweiten Linsen-Arrays. Die Halteeinrichtung ist insbesondere an dem Gehäuserahmen verschiebbar gelagert. Eine solche Ausgestaltung ist robust und ermöglicht eine sichere Halterung des Linsen-Arrays auch bei vergleichsweise schneller Verlagerung. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung derart an dem Gehäuserahmen gelagert, dass sie entlang der Linienrichtung hin- und her verschiebbar ist.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn die Halteeinrichtung an dem Gehäuserahmen gelagert ist, beispielsweise über wenigstens ein Festkörperlager. Denkbar sind auch Lagerungen über ein Wälzlager oder mittels Luftfederung. Eine Lagerung ermöglicht es grundsätzlich, die Halteeinrichtung in einer Schwingbewegung relativ zu dem Gehäuserahmen hin- und her zu verlagern. Insofern ist die Verlagerungseinrichtung derart ausgebildet, dass die Halteeinrichtung relativ zu dem Gehäuserahmen hin- und her schwingen kann.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn eine Steifigkeit der Lagerung (z.B. des wenigstens einen Festkörperlagers) auf eine Frequenz einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung gegenüber dem Gehäuserahmen abgestimmt ist.
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Die Steifigkeit zur Abstimmung der Schwingbewegung kann aber auch durch ein separates Federmittel bereitgestellt werden, welches die die Halteeinrichtung mit dem Gehäuserahmen koppelt.
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Zum Antreiben einer Verschiebebewegung der Halteeinrichtung umfasst die Verlagerungseinrichtung vorzugsweise einen Aktuator. Bei dem Aktuator kann sich um einen Motor handeln. Bei dem Aktuator handelt es sich z.B. um eine Schwingspule, einen Piezo-Aktors und/oder einen sonstigen Linearmotor.
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Das Transformationslinsenmittel ist insbesondere dazu ausgebildet, die von der Homogenisierungsoptik durchmischten Strahlsegmente (Zwischenstrahlpaket) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Zu diesem Zweck ist das Transformationslinsenmittel vorzugsweise als refraktive Fourieroptik ausgebildet bzw. als (insbesondere nicht abbildendend wirkende) Fourierlinse ausgebildet. Denkbar ist z.B. eine Ausgestaltung als Fresnel-Zonenplatte.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung weisen das erste und das zweite Linsen-Array jeweils eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen auf. Für eine besonders effektive Durchmischung der Strahlsegmente des Strahlpakets ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen sind, dass das Strahlpaket durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt.
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Eine effektive Homogenisierung lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass die jeweiligen Zylinderachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Linienrichtung verlaufen. Insbesondere sind die Zylinderlinsen entlang der jeweiligen Zylinderachse wölbungsfrei ausgebildet.
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Die Eigenschaften des Ausgangsstrahls werden auch entscheidend durch die Ausgestaltung der Umformoptik beeinflusst. Die optischen Vorgänge in der Umformoptik sind komplex und haben insbesondere auch Einfluss auf die räumliche Kohärenz der Lichtverteilung, was wiederum entscheidend für die Ausbildung störender Interferenzartefakte ist. Vorzugsweise ist die Umformoptik derart ausgebildet, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur das aus der Ausgangsapertur austretende Strahlpaket eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Dadurch werden Interferenzeffekte bei der im Strahlengang nachfolgenden Homogenisierung und/oder Fokussierung reduziert bzw. gänzlich vermieden, wodurch Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf weiter reduziert werden können.
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Die eingangs beschriebene Aufgabe wird auch durch ein Lasersystem gelöst, welches dazu ausgebildet ist, einen linienartigen Ausgangslaserstrahl mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil aufweist, zu erzeugen.
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Das Lasersystem wird von wenigstens einer Laserlichtquelle zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls gespeist und umfasst eine optische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls in den linienartigen Ausgangsstrahl. Die optische Anordnung ist derart angeordnet, dass der Eingangslaserstrahl von der Laserlichtquelle gespeist wird.
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Die Laserlichtquelle ist insbesondere für den Multi-Moden-Betrieb geeignet oder dazu ausgelegt. Die Laserstrahlung der Laserlichtquelle kann grundsätzlich direkt in die optische Anordnung eingestrahlt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass das Lasersystem ferner eine Vorformoptik umfasst, mittels derer die Laserstrahlung vor Eintritt in die optische Anordnung umgeformt wird. Die Vorformoptik kann beispielsweise als Kollimierungsoptik ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, sodass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen;
- 2 Skizze zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik und des Transformationslinsenmittels;
- 3 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs an der Homogenisierungsoptik und dem Transformationslinsenmittel bei Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array; und
- 4 skizzierte Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung einer Verlagerungseinrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt in skizzierter Darstellung ein Lasersystem 10 zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls 12, welcher in einer Arbeitsebene 14 einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x-Richtung) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist.
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Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 16 zur Abgabe von Laserstrahlung. Die Laserlichtquelle 16 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet. Die Laserstrahlung speist, optional über eine Vorformoptik (nicht dargestellt), einen Eingangslaserstrahl 18. Die Vorformoptik kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung in einen Eingangslaserstrahl 18 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen. Denkbar ist beispielsweise, dass die Laserstrahlung zunächst mittels Umlenkspiegeln und/oder Linsenmitteln in den Eingangslaserstrahl 18 umgeformt wird.
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Das Lasersystem 10 umfasst ferner eine optische Anordnung 20, mittels welcher der Eingangslaserstrahl 18 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umwandelt wird.
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Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in den Figuren ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel breitet sich der Eingangslaserstrahl 18 entlang der z-Richtung aus. Die durch die linienartige Ausdehnung des Ausgangsstrahls 12 definierte Achse verläuft entlang der x-Achse („lange Achse“). Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird als „kurze Achse“ (y-Achse) bezeichnet.
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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 zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
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Die optische Anordnung 20 umfasst mehrere optische Baugruppen, welche im Strahlengang einander nachgelagert sind. Wie in 1 vereinfacht dargestellt, wird der Eingangslaserstrahl 18 zunächst durch eine Umformoptik 22 geleitet, welche den Eingangslaserstrahl 18 in ein Strahlpaket 24 umformt. Das Strahlpaket 24 wird im Anschluss mittels einer Homogenisierungsoptik 26 durchmischt und in ein Zwischenstrahlpaket 28 umgewandelt. Das Zwischenstrahlpaket 28 passiert schließlich ein der Homogenisierungsoptik 26 nachgelagertes Transformationslinsenmittel 30, welches das Zwischenstrahlpaket 28 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umgewandelt, der entlang der Linienrichtung x eine weitgehend homogene Intensität aufweist.
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Optional kann die optische Anordnung zusätzlich eine dem Transformationslinsenmittel 30 im Strahlengang nachgeschaltete Kollimierungs-/Fokussierungsoptik 32 umfassen.
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Die Umformoptik 22 weist eine Eingangsapertur 34, durch welche der Eingangslaserstrahl 18 eingekoppelt werden kann, und eine Ausgangsapertur 36, durch welche das Strahlpaket 24 austritt, auf. Die Umformoptik 22 wirkt dabei insbesondere derart, dass benachbarte Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls 18 beim Durchlaufen der Umformoptik 22 in Strahlsegmente des Strahlpakets 24 umsortiert werden.
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Vorzugsweise ist die Umformoptik 22 derart ausgebildet, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls 18 mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur 34 das aus der Ausgangsapertur 36 austretende Strahlpaket 24 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Zu diesem Zweck kann die Umformoptik 22 beispielsweise derart ausgebildet sein, dass aus der Ausgangsapertur 40 austretende Strahlsegmente des Strahlpakets 24 unterschiedliche optische Weglängen in der Umformoptik 22 zurückgelegt haben. Insbesondere sind die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der Laserstrahlung.
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Die 2 stellt schematisch Aufbau und Funktionsweise der Homogenisierungsoptik 26 und des Transformationslinsenmittels 30 dar. Die Homogenisierungsoptik 26 umfasst ein erstes Linsen-Array 38 und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array 40. Wie in 2 beispielhaft dargestellt, weisen die Linsen-Arrays 38, 40 jeweils eine Vielzahl von Zylinderlinsen 42 auf, welche sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstrecken. Die jeweiligen Zylinderachsen verlaufen in dem dargestellten Beispiel orthogonal zur Zeichenebene, also orthogonal zur (lokalen) Ausbreitungsrichtung (z) und orthogonal zur (lokalen) Linienrichtung (x). Die Zylinderlinsen 42 sind geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket 24 durch eine Vielzahl der nebeneinander liegenden Zylinderlinsen 42 tritt.
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Wie aus 2 ersichtlich, sind die Linsen-Arrays 38, 40 derart angeordnet, dass die Zylinderlinsen 42 das Strahlpaket 24 erfassen und verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets 24 miteinander durchmischen und überlagern. Die auf diese Weise durchmischten und überlagerten Strahlsegmente bilden ein Zwischenstrahlpaket 28, welches im weiteren Verlauf auf das der Homogenisierungsoptik 26 nachgeschaltete Transformationslinsenmittel 30 trifft.
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Das Transformationslinsenmittel 30 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 zu dem linienartigen Ausgangsstrahl 12 zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene 14 die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Beispielhaft und bevorzugt ist das Transformationslinsenmittel 30 durch eine nicht abbildende Fourierlinse 44 gebildet. Die Fourierlinse 44 ist insbesondere derart angeordnet, dass die Arbeitsebene 14 in einer Fokusebene der Fourierlinse 44 verläuft (vgl. 2).
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Insbesondere im Zusammenspiel mit der Umformoptik 22, welche wie vorstehend erläutert vorzugsweise die Kohärenz des Eingangslaserstrahls 18 weitgehend aufhebt, führt die Durchmischung und Überlagerung der Strahlsegmente des Strahlpakets 24 dazu, dass der Ausgangsstrahl 12 entlang der (lokalen) Linienrichtung x bereits vergleichsweise homogen ist. Dennoch können lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auftreten. Beispielsweise ist es denkbar, dass Interferenzeffekte zu periodischen Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf führen (vgl. in 3 mit Bezugszeichen 46 bezeichneter Ausschnitt). Ferner ist es möglich, dass lokale Verunreinigungen im Strahlengang (bspw. Partikel 48 auf Optikmitteln 50, welche der Fourierlinse 44 nachgelagert sind) zu einem Schattenwurf 52 führen, was zu einer lokalen Inhomogenität im Intensitätsverlauf führt.
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Wie nachfolgend im Detail erläutert, können durch Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 die genannten Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden.
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Zur Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 weist die optische Anordnung 20 eine Verlagerungseinrichtung 54 auf (in den 2 und 3 schematisch dargestellt). Die Verlagerungseinrichtung 54 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, um das zweite Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 hin- und her zu bewegen, insbesondere entlang der Linienrichtung x.
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Eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 bewirkt u.a. eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 und/oder eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets 28.
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Eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 (mit anderen Worten eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung des Zwischenstrahlpakets 28) hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket 28 unter einem veränderten Winkel auf die der Homogenisierungsoptik 26 nachfolgende Fourierlinse 44 trifft. Eine solche Winkeländerung an der Fourierlinse 44 führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls 12 (in 3 links unten beispielhaft für eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays „nach unten“ mit Strichlinien dargestellt). Insofern kann durch hin- und her Bewegen des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls 12 räumlich hin- und her verschoben werden. Auf diese Weise können Inhomogenitäten aufgrund von Interferenzeffekten im Mittel geglättet werden (in 3 links unten schematisch angedeutet).
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Eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets 28 hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket 28 an einer veränderten Position auf die Fourierlinse 44 trifft. Eine solche Verschiebung des Zwischenstrahlpakets 28 führt u.a. dazu, dass bestimmte Bereiche der Fourierlinse 44 weniger Intensitätsbeiträge des Zwischenstrahlpakets 28 erhalten, wodurch die Lichtverteilung des Ausgangsstrahl 12 einen Vorzugswinkel bzw. eine Asymmetrie erhält (in 3 rechts unten beispielhaft für eine Verschiebung des Zwischenstrahlpakets 28 aus einer mittigen Referenzposition „nach oben“ skizziert). Insofern kann durch hin- und her Bewegen des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls 12 zeitabhängig verändert werden. Dies führt dazu, dass Verunreinigungen 48 (bspw. Staubpartikel) im Strahlengang nach der Fourierlinse 44 (bspw. auf einer nachfolgenden Optik 52) zeitabhängig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Ein durch eine solche Verunreinigung 48 erzeugter Schattenwurf 52 wird insofern ebenfalls zeitlich verändert, sodass im Mittel ein störender Einfluss des Schattenwurfs auf den Intensitätsverlauf geglättet werden kann.
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In 4 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Verlagerungseinrichtung 54 gezeigt.
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Die Verlagerungseinrichtung 54 umfasst einen Gehäuserahmen 56 und eine Halteeinrichtung 58 zur Halterung des zweiten Linsen-Arrays 40. Die Halteeinrichtung 58 weist abschnittsweise Aussparungen 60 auf, welche als Fenster zur Transmission des Lasterstrahls durch das Linsen-Array 40 dienen.
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Die Halteeinrichtung 58 ist an dem Gehäuserahmen 56 über eine Lagereinrichtung 62 (umfassend z.B. mehrere Festkörperlager) gelagert, sodass die Halteeinrichtung 58 relativ zu dem Gehäuserahmen 56 hin- und her schwingen kann. Hierbei ist es bevorzugt, wenn eine Lagersteifigkeit der Lagereinrichtung 62 auf eine Frequenz einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung 58 gegenüber dem Gehäuserahmen 56 abgestimmt ist.
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Zum Antreiben einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung 58 relativ zu dem Gehäuserahmen 56 weist die Verlagerungseinrichtung ferner einen Aktuator 64 auf, welcher beispielhaft und bevorzugt als Schwingspule 66 ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/019374 A1 [0004]
- US 2011/0097906 A1 [0006]
