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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer ersten Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Laserrohstrahl zu erzeugen, mit einer zweiten Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Laserrohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung mit einem ersten Strahlengang, der den ersten Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer ersten optischen Achse zu einem ersten Beleuchtungsstrahl mit einer ersten Kaustik und einem ersten Strahlprofil umformt, und mit einem zweiten Strahlengang, der den zweiten Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer zweiten optischen Achse zu einem zweiten Beleuchtungsstrahl mit einer zweiten Kaustik und einem zweiten Strahlprofil umformt, wobei der erste und der zweite Beleuchtungsstrahl überlappend auf die Arbeitsebene gerichtet sind und so eine gemeinsame Beleuchtungsrichtung definieren, wobei das erste und das zweite Strahlprofil senkrecht zu der gemeinsamen Beleuchtungsrichtung jeweils eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweisen, und wobei das erste und das zweite Strahlprofil gemeinsam die Laserlinie auf der Arbeitsebene bilden.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in
US 2014/0027417 A1 gezeigt.
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Die linienförmige Laserbeleuchtung einer solchen Vorrichtung wird typischerweise verwendet, um ein Werkstück zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden für moderne Displays in Smartphones, Tablett-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und die haftende Verbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
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Eine andere Anwendung für die Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird hier ebenfalls mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertiges polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing oder SLA bezeichnet.
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Für derartige Anwendungen wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist daher eine Vorrichtung, die in der Lage ist, eine lange dünne Laserlinie parallel zu einer Arbeitsebene zu erzeugen. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse und die Liniendicke als kurze Achse des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen jeweils einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist beispielsweise, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder eventuell trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere solcher Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil), ein Gaußprofil oder ein anderes Intensitätsprofil gewünscht.
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WO 2018/019374 A1 offenbart eine geeignete Vorrichtung mit zahlreichen Details, die die optischen Elemente der optischen Anordnung betreffen. Eine Laserquelle erzeugt einen Laserrohstrahl, der mit Hilfe eines sogenannten Strahltransformators in einer ersten Raumrichtung sehr breit aufgefächert und anschließend homogenisiert wird, um die lange Achse zu erhalten. In einer zweiten, senkrecht dazu liegenden Raumrichtung wird der Laserstrahl fokussiert, um die kurze Achse zu erhalten. Die erste und die zweite Raumrichtung liegen senkrecht zu der Strahlrichtung, in der der Laserstrahl auf die Arbeitsebene trifft. In einem Ausführungsbeispiel ist angedeutet, dass mehrere solcher Laserlinien in Richtung der jeweiligen langen Achsen nebeneinander angeordnet sein können, um auf diese Weise eine sehr lange Laserlinie zu bilden. Zwei parallele Beleuchtungsstrahlen, die jeweils eine Laserlinie auf einer Arbeitsfläche bilden, sind in diesem Ausführungsbeispiel also in Richtung der langen Achsen versetzt.
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Die oben genannte
US 2014/0027417 A1 offenbart eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei der erste Beleuchtungsstrahl und der zweite Beleuchtungsstrahl in Richtung der jeweiligen kurzen Achse versetzt zueinander sind. Das erste und das zweite Strahlprofil bilden hier zusammen eine Laserlinie mit einem stufenförmigen Intensitätsprofil, um auf diese Weise den Energieeintrag in das Werkstück an sich im Verlauf der Laserbearbeitung verändernde Materialeigenschaften anzupassen.
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DE 10 2018 200 078 A1 offenbart eine optische Anordnung zum Erzeugen einer Laserlinie mit einer Teleskopanordnung, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse aufweist. Die Teleskopanordnung beinhaltet eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe, die entlang der optischen Achse relativ zueinander beweglich sind. Eine Steuereinheit steuert die Bewegung, während die Laserstrahlquelle den Laserstrahl erzeugt, um die Intensität der Laserlinie und ihre sogenannte Halbwertsbreite, d.h. die Linienbreite bei 50% der Intensität (Full Width at Half Maximum, FWHM) zeitlich möglichst konstant zu halten. Es habe sich gezeigt, dass sich die Eigenschaften der optischen Anordnung während der Erzeugung des Laserstrahls ändern können. Insbesondere können sich durch die Aufheizung der optischen Elemente infolge des Laserstrahls sogenannte thermische Linsen bilden, die die optischen Eigenschaften der Anordnung verändern.
DE 10 2018 200 078 A1 schlägt vor, die sich daraus ergebende Veränderung der Fokusposition durch eine Verschiebung der Teleskoplinsen relativ zueinander zu kompensieren oder zumindest zu verringern.
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Ein Nachteil dieser Lösung ist der mechanische Aufwand, den die Positionsverstellung der Teleskoplinsen erfordert. Die Bewegung kann zu Verschleiß führen und/oder eine Dejustage der optischen Anordnung zur Folge haben. Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auf alternative Weise dazu beiträgt, die Arbeitsebene im Arbeitsbereich der Vorrichtung zu halten.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art angegeben, wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, die erste Kaustik und die zweite Kaustik in der Beleuchtungsrichtung versetzt zueinander zu positionieren.
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Die Kaustik eines Laserstrahls repräsentiert den Verlauf des Strahldurchmessers vom Ausgang der optischen Anordnung zum sogenannten Strahlfokus, d.h. dem Ort des minimalen Strahldurchmessers, und darüber hinaus in der Beleuchtungs- bzw. Strahlausbreitungsrichtung. Der Strahlfokus wird häufig auch als Strahltaille bezeichnet, so dass die Kaustik die Strahltaille des Laserstrahls beinhaltet. Dementsprechend sind in bevorzugten Ausführungsbeispielen insbesondere die Strahltaillen des ersten und des zweiten Beleuchtungsstrahls relativ zueinander in der Beleuchtungs- bzw. Strahlausbreitungsrichtung versetzt. Die optische Anordnung ist in diesen Ausführungsbeispielen folglich dazu eingerichtet, die Strahltaille des ersten Beleuchtungsstrahls (erste Strahltaille) und die Strahltaille des zweiten Beleuchtungsstrahls (zweite Strahltaille) in der Beleuchtungsrichtung versetzt zueinander zu positionieren. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die erste Kaustik und die zweite Kaustik vor allem bei der Betrachtung der Kaustiken in der kurzen Achse in Beleuchtungsrichtung versetzt zueinander, nicht jedoch oder allenfalls marginal bei Betrachtung der Kaustiken in der langen Achse.
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Die neue Vorrichtung macht es möglich, auf eine mechanische Verstellung der optischen Anordnung bzw. der optischen Elemente, die die Fokussierung des Strahlprofils in der kurzen Achse bewirken, relativ zueinander zu verzichten, weil die versetzten Kaustiken sich in der kurzen Achse (und auch in der langen Achse) überlagern. Infolgedessen wird das Prozessfenster für die Bearbeitung eines Werkstücks vergrößert. Selbst bei einer Fokusdrift infolge von thermischen Linsen oder anderen Effekten kann das Werkstück ohne mechanische Nachstellung im Laserbetrieb in dem Prozessfenster gehalten werden.
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Bevorzugt weisen die optischen Elemente, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen, daher starre Abstände relativ zueinander auf. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die optischen Elemente jeweils feststehend. Damit reduziert sich mechanischer Verschleiß und auch die Gefahr, dass die optische Anordnung infolge einer mechanischen Bewegung dejustiert werden kann.
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Vielmehr beruht die neue Vorrichtung auf der Idee, das Prozessfenster in Strahlrichtung, im Folgenden zum Teil auch longitudinal genannt, durch zumindest 2 überlagerte und zueinander versetzte Kaustiken gezielt zu vergrößern. In bevorzugten Ausführungsbeispielen nimmt die neue Vorrichtung eine Fokusdrift infolge Erwärmung der optischen Elemente in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquellen daher bewusst in Kauf. Allerdings ist die optische Anordnung gezielt dazu eingerichtet, die Strahlqualität des gemeinsam gebildeten Strahlprofils, insbesondere in der kurzen Achse, zu reduzieren, so dass das Strahlprofil auch bei einem Drift der Fokusposition im Prozessfenster verbleibt. Anstelle einer mechanischen Nachführung ist die optische Anordnung durch zwei zueinander versetzte Kaustiken gezielt auf eine größere Schärfentiefe ausgelegt.
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Die neue Vorrichtung besitzt daher eine optische Anordnung, bei der das Verhältnis von Schärfentiefe und Fokusverschiebung positiv beeinflusst ist. Das Prozessfenster der Vorrichtung ist im Vergleich zu Vorrichtungen aus dem Stand der Technik vergrößert. Eine mechanische Nachführung und die mit ihr verbundenen Nachteile lassen sich vermeiden. Dementsprechend ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen ersten Strahltransformator im ersten Strahlengang und einen zweiten Strahltransformator im zweiten Strahlengang auf, wobei der erste Strahltransformator den ersten Laserrohstrahl umformt, um das erste Strahlprofil zu erzeugen, wobei der zweite Strahltransformator den zweiten Laserrohstrahl umformt, um das zweite Strahlprofil zu erzeugen, wobei die erste optische Achse und die zweite optische Achse eine gemeinsame Systemachse definieren, und wobei der erste Strahltransformator und der zweite Strahltransformator entlang der gemeinsamen Systemachse relativ zueinander versetzt angeordnet sind.
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In dieser Ausgestaltung wird der Versatz der ersten Kaustik relativ zu der zweiten Kaustik erreicht, indem für jeden Beleuchtungsstrahl ein „eigener“ Strahltransformator bereitgestellt ist, wobei die (zumindest) zwei Strahltransformatoren entlang der gemeinsamen Systemachse versetzt zueinander sind. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der erste und der zweite Strahlengang im Übrigen gleich realisiert sein können. Insbesondere können die optischen Elemente der Anordnung, die die zwei Laserteilstrahlen beeinflussen und so die (zumindest) zwei Beleuchtungsstrahlen formen, parallel zu einander positioniert sein. Dies vereinfacht die Herstellung und Wartung der neuen Vorrichtung. Zudem wird das gemeinsam gebildete Strahlprofil in der langen Achse in dieser Ausgestaltung kaum beeinflusst.
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In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die optische Anordnung zumindest einen Strahltransformator, der den ersten Laserrohstrahl und/oder den zweiten Laserrohstrahl umformt, um das entsprechende erste und/oder zweite Strahlprofil zu erzeugen, und die optische Anordnung weist in dem zweiten Strahlengang ein optisches Element auf, das die zweite Kaustik relativ zu der ersten Kaustik versetzt.
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In dieser Ausgestaltung wird der Versatz der ersten Kaustik relativ zu der zweiten Kaustik erreicht, indem der zweite Strahlengang zumindest ein zusätzliches optisches Element im Vergleich zu dem ersten Strahlengang aufweist. Der erste und der zweite Strahlengang können dementsprechend unterschiedlich sein. Das zusätzliche optische Element kann vor oder nach dem zumindest einen Strahltransformator angeordnet sein. Dementsprechend können Ausführungsbeispiele dieser Ausgestaltung prinzipiell einen gemeinsamen Strahltransformator für beide Beleuchtungsstrahlen beinhalten, so dass sich die Strahlengänge für den ersten und den zweiten Beleuchtungsstrahl erst nach dem gemeinsamen Strahltransformator unterscheiden. In anderen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung beinhaltet die optische Anordnung einen Strahltransformator in jedem der ersten und zweiten Strahlengänge. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann das zusätzliche optische Element ein Teleskop sein, das die Position der zweiten Kaustik im Vergleich zu der Position der ersten Kaustik verschiebt. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die Realisierung der neuen Vorrichtung mit Hilfe des zusätzlichen optischen Elements relativ einfach auf Basis von vorhandenen Designs möglich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung definiert die erste Kaustik ein Prozessfenster mit einer Prozessfensterlänge in Beleuchtungsrichtung, und die erste Kaustik und die zweite Kaustik sind in der Beleuchtungsrichtung um einen definierten Abstand versetzt, der kleiner als das 1,5fache der Prozessfensterlänge und größer als das 0,5fache der Prozessfensterlänge ist, vorzugsweise kleiner als das 1,2fache der Prozessfensterlänge und größer als das 0,8fache der Prozessfensterlänge und besonders bevorzugt kleiner als das 1,1fache der Prozessfensterlänge und größer als das 0,9fache der Prozessfensterlänge.
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In dieser Ausgestaltung liegt der Versatz der Kaustiken relativ zueinander in der Größenordnung der Schärfentiefe der optischen Anordnung. Dabei kann die Schärfentiefe über eine prozentuale Abweichung der Strahlbreite FWHM in der kurzen Achse entlang der Beleuchtungsrichtung definiert sein. Insbesondere kann die Schärfentiefe definiert sein als Abstand zwischen denjenigen Punkten der Kurzachs-Kaustik, an denen die Kurzachsstrahlbreite um 1% oder einen anderen Prozentwert zwischen 1% und 10% größer geworden ist im Vergleich zu der Kurzachsstrahlbreite an der Strahltaille. Die Ausgestaltung hat sich in aufwendigen Analysen als eine sehr vorteilhafte Dimensionierung für den Versatz der zweiten Kaustik relativ zu der ersten Kaustik erwiesen, da sie eine relevante Vergrößerung des Prozessfensters mit einer recht geringen Auswirkung auf die lange Achse des Strahlprofils und somit auf die Qualität der Laserlinie ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung zumindest eine Linse auf, die eine überwiegende optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des ersten und des zweiten Strahlprofils besitzt, wobei die Linse einen effektiven Durchmesser in Bezug auf die kurze Achse besitzt, und wobei der erste und/oder der zweite Beleuchtungsstrahl die Linse über mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 70% und weiter bevorzugt mehr als 90% des effektiven Durchmessers beleuchtet.
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In dieser Ausgestaltung wird die zumindest eine Linse großflächiger ausgeleuchtet als dies in bekannten Vorrichtungen üblich ist. Mit anderen Worten wird die zumindest eine Linse bis in ihren Randbereich hin ausgeleuchtet. Die großflächige Beleuchtung der zumindest einen Linse durch den zu fokussierenden Laserstrahl hat einerseits zur Folge, dass sich die zumindest eine Linse lokal weniger stark aufheizt. Dementsprechend trägt diese Ausgestaltung vorteilhaft dazu bei, die Bildung von thermischen Linsen und die Fokusdrift im Betrieb der Vorrichtung zu reduzieren. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung eine kompaktere Bauform der neuen Vorrichtung, da der Versatz der Kaustiken vorteilhaft in der Größe der Schärfentiefe liegen kann und bei geringerer Schärfentiefe entsprechend kleiner gewählt werden kann. Wegen des Abbildungsmaßstabes der optischen Anordnung kann dann beispielsweise auch der oben erwähnte Versatz des ersten Strahltransformators relativ zu dem zweiten Strahltransformator kleiner gewählt werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für SLA Anwendungen und allgemeiner für Anwendung, bei den das Strahlprofil in der kurzen Achse eine Tophat Charakteristik aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt der erste Strahlengang ein erstes Zwischenbild, der zweite Strahlengang erzeugt ein zweites Zwischenbild, und die erste optische Achse und die zweite optische Achse definieren eine gemeinsame Systemachse, wobei das erste und das zweite Zwischenbild entlang der gemeinsamen Systemachse relativ zueinander versetzt angeordnet sind.
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Auch diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei den das Strahlprofil in der kurzen Achse eine Tophat Charakteristik aufweist. Der relative Versatz der Kaustiken kann hier auf einfache Weise durch eine Verschiebung des Zwischenbildes erreicht werden. Das Prozessfenster bzw. die Taillenlage innerhalb des Prozessfensters eines jeden Strahlengangs definiert eine dem Objektiv vorgelagerte konjugierte Ebene. Diese kann durch vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgelagerten Optik verschoben werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die optische Anordnung im zweiten Strahlengang ein Kurzachs-Teleskop, welches im Vergleich zu dem entsprechenden Kurzachs-Teleskop im ersten Strahlengang entlang der gemeinsamen Systemachse verschoben ist. Vorteilhaft kann diese Verschiebung bei der Montage und Justierung der neuen Vorrichtung implementiert werden, was eine kostengünstige Realisierung ermöglicht. Vorzugsweise ist die Verschiebung unter Wahrung der Telezentriebedingung realisiert. Die Ausgestaltung erzeugt disjunkte Bildlagen der ersten und zweiten Kaustik.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen ersten Strahltransformator im ersten Strahlengang und einen zweiten Strahltransformator im zweiten Strahlengang auf, wobei der zweite Strahltransformator relativ zu dem ersten Strahltransformator um die zweite optische Achse gedreht ist.
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Vorzugsweise beinhaltet die optische Anordnung in dieser Ausgestaltung eine Kollimationsoptik mit einer Anzahl von Linsen, die den jeweiligen Laserrohstrahl kollimieren, bevor er den jeweiligen Strahltransformator trifft. Vorteilhaft ist zumindest eine der Linsen im zweiten Strahlengang entlang der zweiten optischen Achse relativ zu der entsprechenden Linse im ersten Strahlengang verschoben, so dass die Kollimation des jeweiligen Laserrohstrahls in den parallelen Strahlengängen verschieden voneinander ist. Die Ausgestaltung ermöglicht eine relative Verschiebung der Strahlkaustiken auf sehr effiziente Weise.
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In einer weiteren Ausgestaltung fokussiert die optische Anordnung das erste und das zweite Strahlprofil ohne dezidierte Blende im ersten und zweiten Strahlengang auf die Arbeitsebene.
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Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für LLO Anwendungen. Sie ermöglicht durch den Verzicht auf eine dezidierte Blende, wie etwa eine Schlitzblende, eine effiziente Übertragung der Laserenergie zu der Arbeitsebene mit geringen Verlusten.
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In einer weiteren Ausgestaltung superpositioniert die optische Anordnung das erste und das zweite Strahlprofil in der jeweiligen langen Achse und in der jeweiligen kurzen Achse.
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In dieser Ausgestaltung liegen das erste und das zweite Strahlprofil sowohl in der langen Achse als auch in der kurzen Achse weitgehend, insbesondere über mehr als 90% übereinander. Sie bilden die Laserlinie sowohl in der langen Achse als auch in der kurzen Achse superpositioniert. Die Ausgestaltung trägt zu einer sehr homogenen Intensitätsverteilung in der langen Achse und zu einem definierten Intensitätsprofil in der kurzen Achse vorteilhaft bei.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
- 2 eine vereinfachte Darstellung eines Strahlprofils zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels und weiterer Ausführungsbeispiele,
- 3 eine vereinfachte Darstellung von zwei in Beleuchtungsrichtung versetzt zueinander angeordneten Strahltaillen gemäß einigen Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
- 4a und 4b eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
- 5 eine stark vereinfachte Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung und
- 6a und 6b eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.
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In 1a und 1b ist ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. 1a zeigt die Vorrichtung 10 in einer vereinfachten Darstellung mit einem Blick von oben auf die Laserlinie 12, die hier im Bereich einer Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Vorrichtung 10 besitzt eine erste Laserlichtquelle 16a und eine zweite Laserlichtquelle 16b, die beispielsweise jeweils ein Festkörperlaser sein können, der Laserlicht im Infrarotbereich oder im UV-Bereich erzeugt. Beispielsweise können die Laserlichtquellen 16a, 16b jeweils einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1030 nm beinhalten. In weiteren Beispielen können die Laserlichtquellen 16a, 16b Diodenlaser, Excimerlaser oder Festkörperlaser beinhalten, die jeweils Laserlicht mit Wellenlängen zwischen 150 nm und 350 nm, 500 nm und 530 nm oder 900 nm bis 1070 nm erzeugen. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele der neuen Vorrichtung Nd:YAG Laser, Diodenlaser, Excimerlaser oder Festkörperlaser beinhalten, deren Laserrohstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, etwa mit einem Teilerspiegel (hier nicht dargestellt), um auf diese Weise zwei Laserrohstrahlen als Eingangsstrahlen für die nachfolgend beschriebene optische Anordnung bereitzustellen. Dementsprechend können die erste Laserlichtquelle 16a und die zweite Laserlichtquelle 16b in einigen hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen eine einzige Laserlichtquelle mit nachfolgendem Strahlteilerelement repräsentieren. Ferner können Ausführungsbeispiele der neuen Vorrichtung mehr als nur zwei Laserlichtquellen beinhalten.
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1b zeigt die Vorrichtung 10 von der Seite, d.h. mit einem Blick auf die kurze Achse der Laserlinie 12. Im Folgenden wird die Beleuchtungsrichtung 18 auf die Arbeitsebene 14 mit der Koordinatenachse z bezeichnet. Die Laserlinie 12 verläuft in Richtung der x-Achse und die Linienbreite wird in Richtung der y-Achse betrachtet. Dementsprechend bezeichnet die x-Achse im Folgenden die lange Achse und die y-Achse bezeichnet die kurze Achse des auf der Arbeitsebene gebildeten Strahlprofils (2).
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Die Laserlichtquellen 16a, 16b erzeugen hier jeweils einen Laserrohstrahl 20a, 20b. Die zwei Laserrohstrahlen 20a, 20b werden mit einer optischen Anordnung 22 zu Beleuchtungsstrahlen 24a, 24b umgeformt. Die optische Anordnung 22 beinhaltet hier einen ersten Strahltransformator 26a, der den ersten Laserrohstrahl 20a in der x-Richtung (entsprechend der langen Achse) aufweitet, sowie einen zweiten Strahltransformator 26b, der den zweiten Laserrohstrahl 20b in der x-Richtung aufweitet. Die Strahltransformatoren 26a, 26b können in bevorzugten Ausführungsbeispielen jeweils realisiert sein, wie der Strahltransformator in der eingangs genannten
WO 2018/019374 A1 im Detail beschrieben ist. Dementsprechend können die Strahltransformatoren 26a, 26b jeweils ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer Rückseite beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinanderstehen. Das plattenförmige Element kann unter einem spitzen Winkel (vgl.
1b) zu dem jeweiligen Laserrohstrahl 20a, 20b angeordnet sein. Die Vorderseite und die Rückseite können jeweils eine reflektierende Beschichtung aufweisen, so dass der jeweilige Laserrohstrahl 20a, 20b an der jeweiligen Vorderseite schräg in das plattenförmige Element eingekoppelt wird und mehrfache Reflexionen in dem plattenförmigen Element erfährt, bevor er aufgefächert an der Rückseite des plattenförmigen Elements austritt.
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Die optische Anordnung 22 beinhaltet ferner eine Langachsoptik 28 mit einer Vielzahl von optischen Elementen 28a, 28b (hier stark vereinfacht dargestellt), die den umgeformten ersten und den umgeformten zweiten Laserrohstrahl 20a, 20b in der langen Achse weiter formen. Insbesondere kann die Langachsoptik 28 jeweils ein oder mehrere Mikrolinsenarrays (hier nicht dargestellt) sowie eine oder mehrere Linsen mit positiver optischer Brechkraft überwiegend in der langen Achse für jeden Laserrohstrahl 20a, 20b beinhalten. Insbesondere können die Mikrolinsenarrays und die eine oder mehreren Linsen jeweils Zylinderlinsen beinhalten, die sich entlang der y-Achse erstrecken und eine optische Brechkraft im Wesentlichen in Bezug auf die lange Achse haben. Die Mikrolinsenarrays und die eine oder mehreren Linsen können insbesondere einen abbildenden Homogenisierer bilden, der den Laserrohstrahl 20a, 20b jeweils in der langen Achse homogenisiert, um in jedem der zwei Beleuchtungsstrahlen 24a, 24b ein vorteilhaftes Top Hat Intensitätsprofil in der langen Achse zu erhalten.
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Die optische Anordnung 22 beinhaltet ferner eine Kurzachsoptik 30 mit einer Vielzahl von optischen Elementen 30a, 30b (hier stark vereinfacht dargestellt), die den umgeformten ersten und den umgeformten zweiten Laserrohstrahl 20a, 20b in der kurzen Achse weiter formen. Wie man in 1b erkennen kann, bilden der erste Strahltransformator 26a, die optischen Elemente der Langachsoptik 28a und die optischen Elemente 30a der Kurzachsoptik einen ersten Strahlengang 32a mit einer ersten optischen Achse 34a. Der zweite Strahltransformator 26b, die optischen Elemente der Langachsoptik 28b und die optischen Elemente 30b der Kurzachsoptik bilden einen zweiten Strahlengang 32b mit einer zweiten optischen Achse 34b. Die optischen Achsen 34a, 34b verlaufen in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen parallel zueinander. Prinzipiell ist es aber möglich, dass die optischen Achsen 34a, 34b schräg zueinander verlaufen. Die optischen Achsen 34a, 34b definieren eine gemeinsame Systemachse 36, die im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zu und mittig zwischen den optischen Achsen 34a, 34b verläuft. Im Regelfall fällt die gemeinsame Systemachse 36 mit der Beleuchtungsrichtung 18 zusammen. Sie kann eine Symmetrieachse der Vorrichtung 10 und/oder der optischen Anordnung 22 sein.
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Wie in 1a und 1b dargestellt, sind der erste Strahltransformator 26a und der zweite Strahltransformator 26b in diesem Ausführungsbeispiel um einen Abstand 38 (bezogen auf die gemeinsame Systemachse 36) versetzt zueinander angeordnet. Infolgedessen erzeugen die Strahlengänge 32a, 32b jeweils eine Strahlkaustik 38a, 38b, wobei die Strahlkaustiken 38a, 38b (zumindest in Bezug auf die kurze Achse) in Beleuchtungsrichtung versetzt zueinander sind, wie dies in 1b angedeutet ist. Die Strahlkaustiken 38a, 38b sind jedoch im Bereich der Arbeitsebene superpositioniert und bilden daher ein gemeinsames Strahlprofil.
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2 zeigt ein solches Strahlprofil 40 in einer vereinfachten Darstellung. Das Strahlprofil 40 beschreibt die Intensität I der Laserstrahlung auf der Arbeitsebene 14 in Abhängigkeit von den jeweiligen Positionen entlang der x-Achse und der y-Achse. Wie dargestellt, besitzt das Strahlprofil 40 der Vorrichtung 10 eine lange Achse 42 mit einer Langachsstrahlbreite in x-Richtung und eine kurze Achse 44 mit einer Kurzachsstrahlbreite in y-Richtung. Die Kurzachsstrahlbreite 33 kann beispielsweise als Halbwertsbreite (FWHM) definiert sein oder als Breite zwischen den 90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%). Das Strahlprofil 40 kann abweichend von dem hier vereinfacht dargestellten trapezförmigen Intensitätsverlauf in der kurzen Achse ein Gaußprofil oder ein Top Hat Profil sein (Letzteres real natürlich mit endlicher Flankensteilheit). Aufgrund der im Idealfall deckungsgleichen Superposition der Beleuchtungsstrahlen 24a, 24b im Bereich der Arbeitsebene wird das Strahlprofil 40 aus zwei weitgehend identischen Strahlprofilen 40a, 40b der entsprechenden Beleuchtungsstrahlen 24a, 24b gebildet. Zur Bearbeitung eines Werkstücks (hier nicht dargestellt) wird das Strahlprofil 40 typischerweise quer zu der x-Richtung relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt, insbesondere in y-Richtung.
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3 zeigt die Superposition der zwei zueinander versetzten in einer vereinfachten Darstellung. Jede der zwei Strahlkaustiken 38a, 38b beinhaltet eine Strahltaille 42a bzw. 42b, an der der jeweilige Beleuchtungsstrahl 24a, 24b den jeweils minimalen Strahldurchmesser besitzt. Zudem besitzt jede der zwei zueinander versetzten Strahlkaustiken 38a, 38b eine Schärfentiefe, die beispielsweise anhand der Rayleigh-Länge definiert sein kann. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Schärfentiefe über eine prozentuale Abweichung der Strahlbreite FWHM oder FW@90%Maximum in der kurzen Achse entlang der Beleuchtungsrichtung 18 definiert. Insbesondere kann die Schärfentiefe definiert sein als Abstand zwischen denjenigen Punkten der Kurzachs-Kaustiken 38a, 38b, an denen die jeweilige Kurzachsstrahlbreite um 1% oder um einen anderen Prozentwert zwischen 1% und 10% größer geworden ist im Vergleich zu der Kurzachsstrahlbreite an der jeweiligen Strahltaille 42a, 42b. Die Schärfentiefe definiert jeweils ein Prozessfenster mit einer Prozessfensterlänge 46a, 46b für jeden einzelnen Beleuchtungsstrahl 24a, 24b.
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Wie in 3 angedeutet, ist die optische Anordnung 22 in einigen Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet, die erste und die zweite Strahlkaustik 38a, 38b um einen Abstand 48 zu versetzen, der in etwa in der Größenordnung der Schärfentiefe 46a, 46b liegt. Durch die Superposition der in Beleuchtungsrichtung 18 versetzten Strahlkaustiken 38a, 38b besitzt die Vorrichtung 10 ein vergrößertes Prozessfenster 50.
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In 1 b ist bei der Bezugsziffer 52 der effektive Durchmesser der - vorzugsweise zylindrischen - Linse 30a in Bezug auf die kurze Achse angedeutet. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beleuchten die umzuformenden Laserstrahlen die Linse 30a und entsprechende weitere Linsen der optischen Anordnung 22, wie etwa die Linse 30b, bis in den Randbereich hinein, also beispielsweise über 70% oder gar 90% des effektiven Durchmessers 52. Dies hat zur Folge, dass die Schärfentiefe der Beleuchtungsstrahlen 24a, 24b reduziert wird, was vorteilhaft ist, um den Versatz 38 der Strahltransformatoren zu minimieren. Beispielsweise kann der Abstand 38 in einigen Ausführungsbeispielen bei etwa 250mm liegen, um einen Abstand 48 der Strahlkaustiken 38a, 38b von etwa 100µm zu erhalten, da der Abstand 48 dem Produkt aus dem Versatz 38 und der Beugungsmaßzahl M2 entspricht. Die Beugungsmaßzahl gibt den Divergenzwinkel eines realen Laserstrahls an im Vergleich zum Divergenzwinkel eines idealen Gaußstrahls mit gleichem Durchmesser an der Strahltaille.
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4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, die hier mit der Bezugsziffer 10' bezeichnet ist. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen im Übrigen dieselben Elemente wie zuvor. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4a und 4b wird der Versatz der Strahlkaustiken 38a, 38b mit Hilfe eines zusätzlichen optischen Elements 54 erreicht, das im zweiten Strahlengang 32b angeordnet ist. Das zusätzliche optische Elements 54 kann in einigen Ausführungsbeispielen nach dem Strahltransformator 26b im zweiten Strahlengang 32b angeordnet sein, wie dies in 4b angedeutet ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann das zusätzliche optische Elements 54 vor dem Strahltransformator 26b im zweiten Strahlengang 32b angeordnet sein. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das zusätzliche optische Elements 54 eine Teleskopanordnung mit einem ersten zusätzlichen optischen Element 54a und einem zweiten zusätzlichen optischen Element 54b sein. Die zusätzlichen optischen Elemente 54a, 54b können insbesondere Linsenelemente oder Spiegelelemente sein. Aufgrund des zusätzlichen optischen Elements 54 können die Strahltransformatoren 26a, 26b in Bezug auf die Systemachse 36 „auf gleicher Höhe“, mithin also ohne relativen Versatz 38 angeordnet sein. Wie in 4b angedeutet ist, besitzt das zusätzliche optische Element 54 eine optische Brechkraft, die vor allem die kurze Achse des Strahlprofils 40 beeinflusst.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in einer vereinfachten Darstellung des Strahlengangs 32b in Bezug auf die kurze Achse. Optische Elemente für die Strahlformung in der langen Achse sind hier zur Vereinfachung nicht dargestellt. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugsziffern dieselben Elemente wie zuvor. Der Strahlengang 32b beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel ein Kurzachsteleskop mit Linsenelementen 56, 58, das entlang des Strahlengangs 32b ein Zwischenbild 60 von dem Strahltransformator 26b erzeugt. Das Zwischenbild 60 wird mit Hilfe von weiteren Linsenelementen 62 auf die Arbeitsebene 14 abgebildet. Ein solches Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft, wenn das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene 14 ein Top Hat Profil in der kurzen Achse sein soll, wie dies vor allem bei SLA Anwendungen gewünscht ist. Der Versatz der Strahlkaustik 38b kann hier entweder über einen Versatz des Strahltransformators 26b erreicht werden, wie dies oben unter Bezug auf 1a und 1b erläutert wurde, und/oder durch eine Verschiebung des Zwischenbildes 60, was durch geeignete Justage und/oder Dimensionierung des Kurzachsteleskops mit den Linsenelementen 56, 58 möglich ist.
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6a und
6b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor. In dem Ausführungsbeispiel gemäß
6a und
6b wird der relative Versatz der Strahlkaustiken 38a, 38b dadurch erreicht, dass der Strahltransformator 26b im zweiten Strahlengang 32b im Vergleich zu dem Strahltransformator 26a im ersten Strahlengang 32a um die z-Achse gedreht ist, wie das in
6b mit einem Pfeil 66 angedeutet ist. Die Rotation 66 um die z-Achse resultiert in einem vertikalen Versatz der austrittsseitigen Strahlpakete und beeinflusst die Flankensteilheit des Kurzachs-Strahlprofils in der Arbeitsebene 14. Details hierzu sind in
DE 10 2018 115 126 B4 sowie der prioritätsgleichen
WO 2019/243042 A1 der Anmelderin beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Außerdem besitzt die Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine Kollimationsoptik 68a, 68b vor dem jeweiligen Strahltransformator 26a, 26b. Die jeweilige Kollimationsoptik 68a, 68b kollimiert den jeweiligen Laserrohstrahl 20a, 20b, bevor er den jeweiligen Strahltransformator 26a, 26b trifft. In einer bevorzugten Variante dieses Ausführungsbeispiels beinhaltet die jeweilige Kollimationsoptik 68a, 68b eine Vielzahl von Linsen 70a, 72a bzw. 70b, 72b. Vorteilhaft ist zumindest eine der Linsen im zweiten Strahlengang 32b, etwa die Linse 70b, in z-Richtung relativ zu der entsprechenden Linse 70a verschoben, so dass die Kollimation des jeweiligen Laserrohstrahls 20a, 20b in den parallelen Strahlengängen 32a, 32b verschieden voneinander ist. Eine Variation der Kollimation durch das Verschieben der Linse 70b führt zusammen mit der Rotation 66 des Strahltransformators 26b zu einer sehr vorteilhaften Verschiebung der Kaustik 38b. In einigen Ausführungsbeispielen können die Linsen 70a, 72a bzw. 70b, 72b jeweils eine Teleskopanordnung bilden. Die veränderte Kollimation kann auch virtuell vor dem jeweiligen Strahltransformator 26b liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0027417 A1 [0002, 0007]
- WO 2018/019374 A1 [0006, 0036]
- DE 102018200078 A1 [0008]
- DE 102018115126 B4 [0046]
- WO 2019/243042 A1 [0046]
