DE102021121230A1

DE102021121230A1 - Optische Anordnung und Lasersystem

Info

Publication number: DE102021121230A1
Application number: DE102021121230.8A
Authority: DE
Inventors: Julian Hellstern; Andreas Heimes; Michael Jenne; Christoph Irion
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-08-16
Filing date: 2021-08-16
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Eine optische Anordnung (20) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12), der sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und in einer Arbeitsebene (12) einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x) ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist, besitzt eine Umformoptik (24) mit einer Eingangsapertur (38), durch die der Eingangslaserstrahl (18) einstrahlbar ist, und mit einer länglich ausgebildeten Ausgangsapertur (40),. Die Umformoptik (24) ist derart ausgebildet, dass der durch die Eingangsapertur (38) eingestrahlte Eingangslaserstrahl (18) in ein durch die Ausgangsapertur (40) austretendes Strahlpaket (26) mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten (48a, 48b, 48c) umgewandelt wird. Die Anordnung besitzt ferner eine Homogenisierungsoptik (28), die im Strahlengang nach der Umformoptik (24) angeordnet ist und dazu beiträgt, das Strahlpaket (26) in den linienartigen Ausgangsstrahl (12) umzuwandeln, wobei verschiedene Strahlsegmente (48a, 48b, 48c) des Strahlpakets (26) entlang der Linienrichtung (x) durchmischt und überlagert werden. Des Weiteren besitzt die Anordnung (20) eine Umlenkoptik (22), die im Strahlengang vor der Umformoptik (24) angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl (18) in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuspalten. Die Vielzahl von Teilstrahlen beleuchten die Eingangsapertur mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln und/oder mit einem Ortsversatz relativ zueinander.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl, sowie ein Lasersystem umfassend eine solche optische Anordnung.
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 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.
Derartige Strahlprofile werden beispielsweise eingesetzt, um Oberflächen von Gläsern oder Halbleitern zu bearbeiten (z.B. Tempering, Annealing). Hierbei wird das linienartige Strahlprofil im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse über die zu bearbeitende Oberfläche geführt. Durch die Strahlung können z.B. Umkristallisationsprozesse, oberflächliche Schmelzungen, Diffusionsprozesse von Fremdmaterialien in das zu behandelnde Material oder sonstige Phasenumwandlungen im Bereich der Oberfläche ausgelöst werden. Derartige Bearbeitungsprozesse kommen z.B. bei der Herstellung von TFT-Displays, bei der Dotierung von Halbleitern, bei der Herstellung von Solarzellen, aber auch zur Herstellung ästhetisch ausgestalteter Glasoberflächen für Bauzwecke zum Einsatz.
Eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der WO 2018/019374 A1 beschrieben.
Für die vorstehend genannten Bearbeitungsprozesse ist es wichtig, dass das Intensitätsprofil entlang der langen Achse einen möglichst homogenen, im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist. In der Praxis weist das Intensitätsprofil jedoch regelmäßig lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auf, welche z.B. durch Interferenzartefakte (bspw. regelmäßige Beugungsmuster), Defekte und Formfehler von Optiken (bspw. Aberrationsfehler) und/oder Verunreinigungen von Optiken durch Partikel hervorgerufen werden. Partikel im optischen Strahlengang können zu einem Schattenwurf in der Arbeitsebene führen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, einen möglichst homogenem Intensitätsverlauf bereitzustellen.
Ein optisches System zum Beseitigen von Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung von Laserstrahlung zur Bearbeitung von Dünnfilmschichten ist in DE 10 2016 006 960 A1 offenbart. Das System umfasst eine Blendeneinrichtung mit mindestens einem räumlich veränderbaren Blendenelement und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die räumliche Veränderung des Blendenelements so zu steuern, dass die Größe von lokal begrenzten Einbuchtung im Strahlprofil über einen vorbestimmten Zeitraum mehrfach vergrößert und verkleinert wird.
WO 2007/100608 A1 offenbart eine Laserstrahl-Mikroglättung für Laser Annealing Systeme. Das Mikroglätten beruht hier darauf, dass der Laserstrahl zwischen aufeinander folgenden Beleuchtungspulsen in der langen Achse verschoben wird, um auf diese Weise kleine Inhomogenitäten im Strahlprofil zu glätten. Die Verschiebung wird hier mit einem Spiegelpaar oder alternative mit rotierenden Keilplatten erreicht, die im Strahlengang des Laserstrahls nach der Homogenisierungsoptik angeordnet sind.
DE 10 2014 204 960 A1 und die prioritätsgleiche US 2014/0268265 A1 offenbaren ein optisches Modul zum Neigen eines Laserstrahls, um die Lichtmenge gleichmäßiger zu verteilen. Das Modul beinhaltet einen Spiegel, einen Aktor und ein Verformungsglied mit einer Vielzahl von Gelenken. Mit Hilfe des Aktors und des Verformungsgliedes kann der Spiegel verschoben werden.
US 2011/0097906 A1 offenbart eine Vibrationsvorrichtung zum Vibrieren eines linienartigen Laserstrahls mit Hilfe eines Spiegels, der im Strahlengang nach einer Homogenisierungsoptik angeordnet ist. Eine weitere Laservibrationsvorrichtung mit einem bewegten Spiegel ist in US 2016/0103313 A1 offenbart.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative optische Anordnung anzugeben, die einen möglichst homogenem Intensitätsverlauf einer linienförmigen Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsfläche ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt durch eine optische Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, mit einer eine Umlenkoptik, die im Strahlengang vor der Umformoptik angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Eingangslaserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuspalten, wobei die Vielzahl von Teilstrahlen die Eingangsapertur mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln und/oder mit einem Ortsversatz relativ zueinander beleuchten. Mit anderen Worten beleuchten die Teilstrahlen die Eingangsapertur entlang von verschiedenen Strahlpfaden.
Die optische Anordnung besitzt einen Strahlengang, entlang dem der wenigstens eine Eingangslaserstrahl in einen Ausgangsstrahl mit einem linienartigem Intensitätsprofil quer zu seiner Ausbreitungsrichtung umgeformt wird. Der Strahlengang selbst muss nicht geradlinig verlaufen. Vielmehr kann die optische Anordnung Spiegel oder andere optische Elemente enthalten, die den Laserstrahl entlang des Strahlengangs einmal oder mehrfach umlenken.
Die optische Anordnung beinhaltet eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur, durch die der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und einer länglich ausgebildeten Ausgangsapertur. Die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung ist erheblich größer als die Abmessung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung. Die Umformoptik ist dazu eingerichtet, einen durch die Eingangsapertur einfallenden Eingangslaserstrahl in einer Richtung quer zu der Strahlrichtung aufzuweiten, mithin die Strahlqualität in der einen Richtung zu reduzieren. Vorteilhaft erfolgt dies hier, indem der Eingangslaserstrahl in ein durch die Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket umgewandelt wird. Vorteilhaft bildet das Strahlpaket in einer Betrachtungsebene nach der Ausgangsapertur bereits eine längliche Intensitätsverteilung, insbesondere mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter. Das Strahlpaket umfasst eine Vielzahl von Strahlsegmenten, die sich über die längliche Ausgangsapertur verteilen und die Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig ausfüllen.
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.
Die Umformoptik ist vorzugsweise dazu ausgebildet, aus einem weitgehend kohärenten Eingangslaserstrahl ein Strahlpaket zu erzeugen, welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist und in besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen inkohärent ist.
Die optische Anordnung beinhaltet ferner eine Homogenisierungsoptik, die dazu ausgebildet ist, das Strahlpaket zu einer Laserlinie mit gewünschter Homogenität (insbesondere entlang der lokalen Linienrichtung) umzuwandeln. Dabei ist die Homogenisierungsoptik derart ausgebildet, dass verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung durchmischt und überlagert werden, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich derjenigen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlquerschnitt länglich erstreckt.
Die optische Anordnung besitzt im Strahlengang vor der Umformoptik ferner eine Umlenkoptik, die hier dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuspalten, wobei die Vielzahl von Teilstrahlen die Eingangsapertur statisch mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln und/oder mit einem Ortsversatz relativ zueinander gemeinsam beleuchten. Mit anderen Worten treffen verschiedene Teilstrahlen des Eingangslaserstrahl mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln und/oder an verschiedenen Stellen auf die Eingangsapertur der Umlenkoptik. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen treffen die Teilstrahlen des Eingangslaserstrahl aus voneinander verschiedenen Richtungen auf die Eingangsapertur und überlagern sich dort, so dass sie einen gemeinsamen Beleuchtungsspot auf der Eingangsapertur bilden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Teilstrahlen die Eingangsapertur mit einem relativen Ortsversatz zueinander so beleuchten, dass mehrere Beleuchtungsspots auf der Eingangsapertur erkennbar sind.
Eine Veränderung des Einfallswinkels und/oder der Einstrahlposition des Eingangslaserstrahls an der Eingangsapertur der Umformoptik führt zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des durch die Ausgangsapertur austretenden Strahlpakets. Dabei wird mit Strahlschwerpunkt hier insbesondere der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung über dem Strahlquerschnitt des Strahlpakets nach der Ausgangsapertur bezeichnet. In Folge dessen trifft der Schwerpunkt des Strahlpakets an einer veränderten Position auf die Homogenisierungsoptik, die der Umformoptik im Strahlengang nachfolgt. Eine derartige räumliche Verschiebung des Strahlpakets führt dann zu einer Veränderung der Winkelverteilung der Strahlkomponenten des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten wird durch Veränderung der räumlichen Position des Strahlschwerpunkts des Strahlpakets eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls verändert.
Durch Veränderung der Einstrahlposition des Eingangslaserstrahls an der Umformoptik können somit optische Elemente, die der Umformoptik im Strahlengang nachgeschaltet sind, wie bspw. Teleskoplinsen, Umlenkspiegel, Fokussierlinsen, aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Verunreinigungen im Strahlengang nach der optischen Anordnung, wie bspw. partikuläre Verunreinigungen auf den nachfolgenden optischen Elementen, werden dann aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und erzeugen einen von der Beleuchtungsrichtung abhängigen Schattenwurf. Dies kann man sich vorteilhaft zu Nutze machen, um den linienartigen Ausgangsstrahl entlang seiner Linienrichtung zu glätten.
Es hat sich nun gezeigt, dass dieser vorteilhafte Effekt gleichermaßen erreicht werden kann, wenn der Eingangslaserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird und diese Teilstrahlen die Eingangsapertur der Umformoptik entlang von verschiedenen Strahlpfaden beleuchten. Die mehreren Teilstrahlen wirken gewissermaßen wie ein Eingangslaserstrahl, der relativ zu der Eingangsapertur der Umformoptik bewegt wird.
Dabei ist von Vorteil, dass die Glättung schon früh im Strahlengang eingeleitet wird, weil die Variation auf diese Weise mit relativ kleinen und relativ leichten optischen Elementen erzeugt werden kann. Nach der Umformoptik ist der Laserstahl bereits linienförmig aufgeweitet und aus diesem Grund müssten die optischen Elemente im weiteren Strahlengang zumindest in der Linienachse entsprechend groß dimensioniert sein. Mit der neuen Anordnung kann eine Mikroglättung daher kostengünstig und effizient erreicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beleuchten die Teilstrahlen die Eingangsapertur statisch, d.h. der Eingangslaserstrahl und die Teilstrahlen beleuchten die Eingangsapertur - im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik - ohne gezielte Relativbewegung. Mit dieser Ausgestaltung können mechanische Vibrationen in dem Lasersystem leichter und kostengünstiger minimiert werden. Außerdem ist die Justierung der Umlenkoptik im vorderen Teil des Strahlengangs und insbesondere vor der Umformoptik einfacher und robuster gegenüber Toleranzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beleuchten die Teilstrahlen die Eingangsapertur gemeinsam, d.h. zeitlich überlappend und bevorzugt zeitgleich.
Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der linienartige Ausgangsstrahl auf effiziente Weise eine hohe Ausgangsleistung erhält.
Zusammenfassend ermöglicht die neue optische Anordnung daher auf effiziente Weise, lokale Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung des Ausgangsstrahls zu glätten und dadurch ein verbessertes Prozessergebnis bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken zu erzielen. Dies gilt insbesondere, wenn die Teilstrahlen die Eingangsapertur statisch und/oder zeitgleich mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln und/oder mit einem Ortsversatz relativ zueinander beleuchten.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Umlenkoptik dazu ausgebildet, den Eingangslaserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen mit gleicher Intensität aufzuspalten.
Die Ausgestaltung ermöglicht eine relativ einfache und kostengünstige Realisierung und trägt zu einem besonders homogenen Intensitätsprofil entlang der Linienrichtung bei.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Umlenkoptik ein doppelbrechendes Element auf, das den Eingangslaserstrahl statisch in die Vielzahl von Teilstrahlen aufspaltet.
Doppelbrechung tritt in optisch anisotropen Kristallen auf. Diese weisen für unterschiedliche Polarisation und Richtung eines einfallenden Lichtstrahls einen unterschiedlichen Brechungsindex auf. Infolgedessen kann ein solcher Kristall einen einfallenden Eingangslaserstrahl auf sehr einfache und kostengünstige Weise in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufspalten. Häufig werden die Teilstrahlen als ordentlicher und außerordentlicher Strahl bezeichnet. Vorteilhaft beinhaltet der Eingangslaserstrahl in dieser Ausgestaltung mehrere Polarisationsrichtungen, die von dem doppelbrechenden Element in die Teilstrahlen aufgespalten werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Umlenkoptik eine Vielzahl von doppelbrechenden Elementen aufweisen, um den Eingangslaserstrahl in mehr als zwei Teilstrahlen aufzuspalten.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Umlenkoptik wenigstens zwei doppelbrechende Elemente auf, die im Strahlengang hintereinander angeordnet sind.
Mit dieser Ausgestaltung können die Strahlpfade der Teilstrahlen und infolgedessen die Beleuchtung der Eingangsapertur auf kostengünstige Weise optimiert werden. Beispielsweise ist es mit zwei doppelbrechenden Elemente im Strahlengang hintereinander vorteilhaft möglich, Teilstrahlen mit verschiedenen Einfallswinkeln auf einen gemeinsamen Beleuchtungsspot zu richten. Daher kann mit dieser Ausgestaltung eine sehr kompakte Beleuchtung der Eingangsapertur erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Eingangsapertur länglich ausgebildet und definiert eine Eingangsapertur-Längsrichtung, und die Umlenkoptik ist dazu ausgebildet, die Vielzahl von Teilstrahlen entlang der Eingangsapertur-Längsrichtung zu verteilen.
Diese Ausgestaltung ist vergleichsweise einfach und robust in Bezug auf die Justierung der optischen Elemente. Eine räumliche Verteilung des Strahlschwerpunkts des aus der Ausgangsapertur austretenden Strahlpakets erfolgt hier vorteilhaft entlang der Längsrichtung der Ausgangsapertur.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Umlenkoptik dazu ausgebildet, die Vielzahl von Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln bezogen auf die Eingangsapertur-Längsrichtung zu erzeugen.
In dieser Ausgestaltung treffen Teilstrahlen des Eingangslaserstrahls aus verschiedenen Richtungen auf die Eingangsapertur, wobei die verschiedenen Richtungen eine Ebene aufspannen, die im Wesentlichen parallel zu der Eingangsapertur-Längsrichtung liegt.
Die Ausgestaltung macht es möglich, die Eingangsapertur sehr schmal zu gestalten und gleichwohl entlang von unterschiedlichen Strahlpfaden effizient zu beleuchten.
Alternativ oder ergänzend ist Umlenkoptik dazu ausgebildet, die Vielzahl von Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln quer zu der Eingangsapertur-Längsrichtung zu erzeugen.
Diese Ausgestaltung macht es möglich, die Eingangsapertur mit großer Vielfalt entlang von verschiedenen Strahlpfaden zu beleuchten. Die Ausgestaltung ist vorteilhaft in Bezug auf die exakte Justierung der weiteren optischen Elemente im nachfolgenden Strahlengang. Sie trägt zu einer effizienten Glättung des Ausgangslaserstrahls vorteilhaft bei.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Umlenkoptik auf einem ersten Fundament angeordnet und die Umformoptik ist auf einem zweiten Fundament angeordnet ist, wobei das erste Fundament und das zweite Fundament getrennt voneinander angeordnet sind. In einigen Ausführungsbeispielen können das erste und das zweite Fundament jeweils eine Granitplatte beinhalten, wobei die jeweiligen Granitplatten getrennt voneinander und insbesondere berührungsfrei zueinander angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend können das erste und das zweite Fundament jeweils eine Gussplatte, beispielsweise aus Metall und/oder Beton, und/oder ein Stahlfundament beinhalten. Die getrennten Fundamente besitzen den Vorteil, dass Vibrationen, die im Bereich der Umlenkoptik auftreten können, von den nachfolgenden Elementen im Strahlengang des Laserstrahls besser entkoppelt sind.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die Umlenkoptik und die Umformoptik ist auf einem gemeinsamen Fundament angeordnet, was die relative Justierung erleichtert und robuster macht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die optische Anordnung ferner wenigstens ein der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachgeschaltetes Transformationslinsenelement. Das Transformationslinsenelement ist insbesondere dazu ausgebildet, die durch die Homogenisierungsoptik durchmischten Strahlsegmente zu überlagern und weiter zu dem linienartigen Ausgangsstrahl zu fokussieren. Insofern trägt das Transformationslinsenelement insbesondere auch zur Homogenisierung bei. Vorteilhaft kann die Arbeitsebene in einem Fokusbereich des Transformationslinsenelements verlaufen. Denkbar ist beispielsweise, dass von jedem Bereich der erfassten Strahlung Strahlsegmente in verschiedene, vorzugsweise sämtliche, Bereiche entlang der Linienrichtung fokussiert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Transformationslinsenelements ist in Form einer (insbesondere nicht abbildenden) Fourierlinse, insbesondere als Fresnel-Zonenplatte.
Die Eigenschaften des Ausgangsstrahls werden entscheidend durch die Ausgestaltung der Umformoptik beeinflusst. Insbesondere beeinflusst eine Ausgestaltung der Umformoptik, wie sich eine Lichtverteilung des Ausgangsstrahls bei einer Veränderung der Einstrahlposition und/oder der Einstrahlrichtung des Eingangslaserstrahls ändert. Die optischen Vorgänge in der Umformoptik sind komplex und haben insbesondere auch Einfluss auf die räumliche Kohärenz der Lichtverteilung, was wiederum entscheidend dafür ist, ob sich störende Interferenzartefakte ausbilden. Eine Veränderung der Strahlung im Strahlengang vor der Umformoptik hat daher in der Regel besonders großen Einfluss auf die Strahlungseigenschaften im weiteren Strahlengang.
Zum Erzielen eines linienartigen Strahlquerschnitts des Ausgangsstrahls, ist es bevorzugt, wenn die Eingangsapertur der Umformoptik länglich ausgebildet ist und sich länglich entlang einer Eingangsapertur-Längsrichtung erstreckt, und wenn die Ausgangsapertur sich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung erstreckt.
Dabei ist die Umformoptik vorzugsweise derart ausgebildet, dass das durch die Ausgangapertur austretende Strahlpaket eine Vielzahl von Strahlsegmenten aufweist, welche entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Dadurch, dass die Eingangsapertur länglich ausgebildet ist, kann der Eingangslaserstrahl bereits einen länglichen Strahlquerschnitt aufweisen, was ein Umwandeln des Eingangslaserstrahls in einen Ausgangsstrahl mit linienartigem Strahlquerschnitt begünstigt. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Vorformoptik vorgesehen sein, die den Eingangslaserstrahl vor Erreichen der Umformoptik bereits derart umgeformt, dass er einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist, In einigen Ausführungsbeispielen kann die Umlenkoptik zugleich eine solche Vorformoptik bilden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Umformoptik besteht ferner darin, dass ein Abstand benachbarter Strahlsegmente des aus der Ausgangsapertur austretenden Strahlpakets größer ist als eine Ausdehnung der Strahlsegmente in einer Richtung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung und senkrecht zur (lokalen) Ausbreitungsrichtung. Bei einer derart ausgestalteten Umformoptik führt eine vergleichsweise geringe Verschiebung der Einstrahlposition entlang der Eingangsapertur-Längsrichtung zu einer vergleichsweise großen Verschiebung des Strahlschwerpunktes des Strahlpakets entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung. Insofern reicht es, wenn die Teilstrahlen des Eingangslaserstrahls nur geringfügig verschiedene Strahlpfade durchlaufen..
Vorzugsweise ist die Umformoptik ferner dazu ausgebildet, bei Einstrahlung eines kohärenten Eingangslaserstrahls durch die Eingangsapertur (d.h. eines Eingangslaserstrahls, der über die gesamte Ausdehnung der Eingangsapertur räumliche Kohärenz aufweist) oder bei Einstrahlung eines zumindest partiell kohärenten Eingangslaserstrahls ein Strahlpaket zu erzeugen, das aus der Ausgangsapertur austritt und welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, vorzugsweise 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.
Die beschriebene Reduzierung bzw. Aufhebung der räumlichen Kohärenz kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Umformoptik derart ausgebildet ist, dass für benachbarte Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls beim Durchtritt durch die Umformoptik unterschiedliche optische Weglängen bereitgestellt werden. Insbesondere ist die Umformoptik derart ausgestaltet, dass benachbarte Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls beim Durchtritt durch die Umformoptik derart umsortiert werden, dass die Strahlsegmente des austretenden Strahlpakets, welche durch die Ausgangsapertur austreten, unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt haben, sodass das Strahlpaket eine verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Insbesondere ist die Umformoptik derart ausgestaltet, dass die optischen Weglängen für Strahlsegmente, die an gegenüberliegenden und randständigen Bereichen der Eingangsapertur eintreten, sich um einen Wert unterscheiden, der größer ist, als die Kohärenzlänge des Eingangslaserstrahls.
Vorzugsweise ist die Umformoptik plattenartig und einstückig aus einem Material ausgebildet, das für die Wellenlänge des Eingangslaserstrahls optisch durchlässig bzw. transparent ist. Die Umformoptik weist in diesem Fall eine Plattenvorderseite und eine im Wesentlichen parallel zur Plattenvorderseite verlaufende Plattenrückseite auf. Plattenvorderseite und Plattenrückseite bilden insofern die großen Begrenzungsflächen einer sich flächig erstreckenden Platte. Insbesondere stellt ein Bereich der Plattenvorderseite die Eingangsapertur bereit, und ein Bereich der Plattenrückseite stellt die Ausgangsapertur bereit. Die Umformoptik ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls nach Einkopplung durch die Eingangsapertur durch mindestens einmalige, vorzugsweise vielfache, Reflexion an der Plattenvorderseite und der Plattenrückseite zur Ausgangsapertur geleitet werden. Die Zahl der Reflexionen hängt insbesondere von der Einstrahlposition und dem Einstrahlwinkel an der Eingangsapertur ab. Insofern legen unterschiedliche Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls unterschiedliche optische Weglängen zurück. Insbesondere erfolgt die Reflexion derart, dass unterschiedliche (insbesondere benachbarte) Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls beim Durchlaufen der Umformoptik umsortiert werden und als Ausgangsstrahlsegmente durch die Ausgangsapertur austreten.
Die Homogenisierungsoptik wirkt vorzugsweise derart, dass verschiedene Strahlsegmente des aus der Umformoptik austretenden Strahlpakets durchmischt und/oder miteinander überlagert werden. Zu diesem Zweck kann die Homogenisierungsoptik beispielsweise wenigstens ein Linsen-Array umfassen, wobei das wenigstens eine Linsen-Array eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen aufweisen kann. Insbesondere sind die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt.
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. Das Lasersystem umfasst wenigstens eine Laserlichtquelle zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls, sowie 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.
Die Laserlichtquelle kann insbesondere für einen Multi-Moden-Betrieb ausgebildet sein. 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 werden. Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, sodass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen;
2 Skizzierte Darstellung einer bevorzugten Umformoptik;
3 Skizzierte Darstellung zur Erläuterung des Strahlengangs in der bevorzugten Umformoptik;
4 Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik und des Transformationslinsenelements;
5 Skizzierte Darstellung zur Erläuterung einer ersten Ausgestaltung der Umlenkoptik;
6 Skizzierte Darstellung zur Erläuterung einer zweiten Ausgestaltung der Umlenkoptik;
7 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs an der Homogenisierungsoptik und an dem Transformationslinsenelement bei Veränderung der Einstrahlposition des Eingangslaserstrahls an der Umformoptik;
8 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in der Umformoptik bei Veränderung der Einstrahlrichtung des Eingangslaserstrahls an der Eingangsapertur;
9 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs an der Homogenisierungsoptik und an dem Transformationslinsenelement bei Veränderung der Einstrahlrichtung des Eingangslaserstrahls an der Umformoptik;
10 Skizzierte Darstellung zur Erläuterung einer dritten Ausgestaltung der Umlenkoptik, und
11 Skizzierte Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausgestaltung der Umlenkoptik.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt in skizzierter Darstellung ein Lasersystem 10 zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls 12, welcher in einer Arbeitsebene 14 einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x-Richtung) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist.
Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 16 zur Abgabe von Laserstrahlung. Die Laserlichtquelle 16 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet. Die Laserstrahlung bildet, 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 Linsenelementen in den Eingangslaserstrahl 18 umgeformt wird.
Das Lasersystem 10 umfasst ferner eine optische Anordnung 20, mittels der der Eingangslaserstrahl 18 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umwandelt wird.
Zur Erläuterung der lokalen geometrischen Verhältnisse des Strahls 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 (lokalen) Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird als „kurze Achse“ (y-Achse) bezeichnet.
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') nebeneinander derart anzuordnen, dass sich die Intensitätsverteilungen zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
Die optische Anordnung 20 umfasst hier mehrere optische Baugruppen, welche im Strahlengang aufeinander folgend angeordnet sind. Wie in 1 vereinfacht dargestellt, passiert der Eingangslaserstrahl 18 zunächst eine Umlenkoptik 22 und wird dann durch eine Umformoptik 24 geleitet, welche den Eingangslaserstrahl 18 in ein Strahlpaket 26 umformt. Das Strahlpaket 26 wird dann mittels einer Homogenisierungsoptik 28 homogenisiert und im Zusammenspiel mit einer der Homogenisierungsoptik 28 nachgelagerten Transformationsoptik 30, wie insbesondere zwei Linsenelementen, in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umgewandelt, der entlang der Linienrichtung eine weitgehend homogene Intensität aufweist.
Optional kann die optische Anordnung zusätzlich eine dem Transformationslinsenelement 30 im Strahlengang nachfolgende Kollimierungs-/Fokussierungsoptik (nicht dargestellt) beinhalten. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die nebeneinander angeordneten Lasersysteme 10, 10' jeweils eine eigene Umlenkoptik 22, 22` und jeweils eine eigene Umformoptik 24, 24' besitzen und sich die nachfolgende Homogenisierungsoptik 28 und/oder das nachfolgende Transformationslinsenelement 30 teilen. Mit anderen Worten können die Homogenisierungsoptik 28 und/oder das Transformationslinsenelement 30 in einigen Ausführungsbeispielen von mehreren benachbarten Strahlpaketen 26, 26` beleuchtet werden (hier nicht dargestellt).
Die 2 und 3 zeigen in skizzierter Darstellung ein bevorzugten Ausführungsbeispiel der Umformoptik 24. Im dargestellten Beispiel ist die Umformoptik 24 als einstückiger, plattenartiger Umformkörper 32 aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material ausgebildet.
Der Umformkörper 32 weist eine Plattenvorderseite 34 und eine parallel verlaufende Plattenrückseite 36 auf. Ein Bereich der Plattenvorderseite 34 bildet eine Eingangsapertur 38, durch die der Eingangslaserstrahl 18 in den Umformkörper 32 eingekoppelt werden kann. Ein Bereich der Plattenrückseite 36 wirkt als Lichtauskoppelfläche und bildet eine Ausgangsapertur 40, durch die das Strahlpaket 26 austritt.
Wie aus 3 ersichtlich, ist die Eingangsapertur 38 hier länglich ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Eingangsapertur-Längsrichtung 42. Die Ausgangsapertur 40 ist ebenfalls länglich ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung 44 (vgl. 2).
Die Umformoptik 24 wirkt hier insbesondere derart, dass benachbarte Strahlsegmente 46a, 46b, 46c des Eingangslaserstrahls 18 beim Durchlaufen der Umformoptik 24 in Strahlsegmente 48a, 48b, 48c des Strahlpakets 26 umsortiert werden, welche entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung (44) nebeneinander angeordnet sind (vgl. 3). Dies erfolgt im darstellten Beispiel dadurch, dass die durch die Eingangsapertur 38 eingekoppelten Strahlsegmente 46a, 46b, 46c durch interne Reflexion in dem Umformkörper 32 zwischen der Plattenvorderseite 34 und der Plattenrückseite 36 zur Ausgangsapertur 40 geleitet werden. Da die Strahlsegmente 46a, 46b, 46c an verschiedenen Positionen durch die Eingangsapertur 38 eingekoppelt werden, haben die aus der Ausgangsapertur 40 austretenden Strahlsegmente 48a, 48b, 48c des Strahlpakets 26 verschiedene optische Weglängen zurückgelegt. Der Umformkörper 32 ist hier insbesondere derart ausgebildet, dass die optischen Wege der verschiedenen Strahlsegmente 48a, 48b, 48c derart verschieden voneinander sind, dass das Strahlpaket 26 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente 48a, 48b, 48c groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der Laserstrahlung sind.
Die 4 stellt die Funktionsweise der Homogenisierungsoptik 28 und des Transformationslinsenelements 30 schematisch dar. Grundsätzlich ist die Homogenisierungsoptik 28 derart angeordnet, dass sie das Strahlpaket 26 erfasst und verschiedene Strahlsegmente 48a, 48b, 48c des Strahlpakets 26 durchmischt und überlagert. Beispielsweise kann die Homogenisierungsoptik 28 zwei einander im Strahlengang nachgeschaltete Linsen-Arrays 50a, 50b aufweisen, welche auf die Strahlsegmente 48a, 48b, 48c einwirken und diese durchmischen und überlagern. Wie in 4 beispielhaft dargestellt, weisen die Linsen-Arrays 50a, 50b eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen 52 auf. Die Zylinderlinsen 52 sind dabei geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket 26 durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen 52 tritt.
Das der Homogenisierungsoptik 28 im Strahlengang nachgeschaltete Transformationslinsenelement 30 ist insbesondere dazu ausgebildet, die durchmischten Strahlsegmente 48a, 48b, 48c zu dem linienartigen Ausgangsstrahl 12 zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene 14 die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Beispielhaft und bevorzugt ist das Transformationslinsenelement 30 durch eine nicht abbildende Fourierlinse 54 gebildet. Die Fourierlinse 54 ist insbesondere derart angeordnet, dass die Arbeitsebene 14 in einer Fokusebene der Fourierlinse 54 verläuft (vgl. 4).
Insbesondere im Zusammenspiel mit der Umformoptik 24, welche wie vorstehend erläutert vorzugsweise die Kohärenz des Eingangslaserstrahls 18 weitgehend aufhebt, führt die Durchmischung und Überlagerung der Strahlsegmente 48a, 48b, 48c des Strahlpakets 26 dazu, dass der Ausgangsstrahl 12entlang der (lokalen) Linienrichtung x bereits vergleichsweise homogen ist. Dennoch können lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auftreten, insbesondere aufgrund von Interferenzeffekten, Formfehlern und/oder Verunreinigungen von Optiken.
Wie nachfolgend im Detail erläutert, können durch Variation der Einstrahlposition und/oder der Einstrahlrichtung des Eingangslaserstrahls 18 an der Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 die Inhomogenitäten im Mittel geglättet werden. Zu diesem Zweck ist die Umlenkoptik 22 dazu ausgebildet, den Eingangslaserstrahl 18 in eine Vielzahl von Teilstrahlen 68a, 68b aufzuspalten, wobei die Vielzahl von Teilstrahlen 68a, 68b die Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 mit einem Ortsversatz relativ zueinander (siehe 5) und/oder mit voneinander verschiedenen Einstrahlrichtungen (siehe 6) beleuchten. In einigen dieser Ausgestaltungen beleuchten die Vielzahl von Teilstrahlen 68a, 68b die Eingangsapertur 38 an verschiedenen Einstrahlpositionen und bilden jeweils einen Beleuchtungsspot.
In 5 ist eine erste Ausgestaltung der Umlenkoptik 22 gezeigt. Die Umlenkoptik besitzt hier ein doppelbrechendes Element 56 mit einer optischen Achse 57. Das Element 56 ist hier ein anisotroper Kristall, beispielsweise aus einem Calcitmaterial oder kristallinem Quarzglas, der einen von der Polarisationsrichtung abhängigen Brechungsindex besitzt. Infolgedessen teilt das Element 56 einen unpolarisierten oder schwachpolarisierten einfallenden Eingangslaserstrahl 18 in einen ersten Teilstrahl 68a (ordentlichen Teilstrahl) und einen zweiten Teilstrahl 68b (außerordentlichen Teilstrahl) auf. Die Teilstrahlen 68a, 68b verlaufen hier weitgehend parallel und beleuchten die Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 mit einem relativen Ortsversatz. In einigen Ausführungsbeispielen können weitestgehend linearpolarisierte Strahlen zur Anwendung kommen. Beispielsweise ist eine Umsetzung mit z.B. linearer Polarisation unter 45° (l_ordina-ry = l_{extraordinary} = 50%) oder über vorgelagerte Änderung der Polarisation zu elliptischer Polarisation denkbar.
In 6 ist eine zweite Ausgestaltung der Umlenkoptik 22 gezeigt, wobei das doppelbrechende Element 56 hier mit einer anderen optischen Achse 57 relativ zu dem einfallenden Eingangslaserstrahl 18 und mit schief zueinander verlaufenden Seiten und/oder mit einer anderen Materialdicke als zuvor angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung beleuchten die Teilstrahlen 68a, 68b die Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 mit einem relativen Ortsversatz und mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln.
Eine Veränderung der Einstrahlposition des Eingangslaserstrahls 18 entlang der Eingangsapertur-Längsrichtung 42 verändert den optischen Weg, den die Strahlsegmente 46a, 46b, 46c innerhalb der Umformkörpers 32 zurücklegen, so dass sich der Strahlschwerpunkt des Strahlpakets 26 an der Ausgangsapertur 40 entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung 44 verschiebt. In Folge dessen trifft das Strahlpaket 26 dann an einer veränderten Position auf die nachgelagerte Homogenisierungsoptik 28 und somit auch an einer veränderten Position auf die Fourierlinse 54 (in 7 beispielhaft für eine Verschiebung des Strahlpakets 26 aus einer mittigen Referenzposition 60 „nach oben“ skizziert). Eine solche Verschiebung des Strahlpakets 26 führt dazu, dass bestimmte Bereiche der Fourierlinse 52 (bei dem Beispiel gemäß 7 der untere Bereich) weniger Intensitätsbeiträge des Strahlpakets 26 erhalten, wodurch die Lichtverteilung des Ausgangsstrahl 12 einen Vorzugswinkel (bei dem Beispiel gemäß 7 „nach unten“) erhält.
Durch „Vervielfachen“ der Einstrahlposition kann somit eine Winkelverteilung des Ausgangsstrahls 12 verändert werden, so dass Verunreinigungen 62, wie etwa Staubpartikel im Strahlengang nach der Fourierlinse 54 (bspw. auf einer nachfolgenden Optik 64) aus verschiedenen Richtungen beleuchtet werden. Ein durch eine solche Verunreinigung 62 erzeugter Schattenwurf 66 wird auf diese Weise räumlich verteilt und der Einfluss des Schattenwurfs auf den Intensitätsverlauf wird geglättet.
Wie in 6 schon angedeutet, kann die Umlenkoptik 22 dazu ausgebildet sein, zusätzlich oder alternativ zu einer Veränderung der Einstrahlposition, eine Einstrahlrichtung des Eingangslaserstrahls 18 an der Eingangsapertur 38 zu vervielfachen. Insbesondere kann die Umlenkoptik dazu ausgebildet sein, die Vielzahl von Teilstrahlen 68a, 68b mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln quer zu der Eingangsapertur-Längsrichtung 42 (in 8 orthogonal zur Zeichenebene) zu erzeugen. Alternativ oder ergänzend kann die Umlenkoptik dazu ausgebildet sein, die Teilstrahlen 68a, 68b entlang der Eingangsapertur-Längsrichtung 42 zu verteilen und/oder mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln bezogen auf die Eingangsapertur-Längsrichtung 42 zu erzeugen.
Eine Veränderung der Einstrahlrichtung und/oder Einstrahlposition des Eingangslaserstrahls 18 führt zu einer Veränderung der optischen Wege der Strahlsegmente 46a, 46b, 46c innerhalb des Umformkörpers 32, insbesondere derart, dass eine Ausstrahlrichtung des Strahlpakets aus der Ausgangsapertur 40 verkippt wird (in 8 schematisch dargestellt). Ferner wird die Lichtintensitätsverteilung des Strahlpakets 26 auch qualitativ verändert. Dies hat zur Folge, dass das Strahlpaket 26 nicht nur an einer veränderten Position auf die Homogenisierungsoptik 28 und die Fourierlinse 54 trifft (vgl. den oben beschriebenen Effekt), sondern auch unter einem veränderten Winkel. Eine solche Winkeländerung führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls 12. Insofern kann der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls 12 durch Vervielfältigen der Einstrahlrichtungen an der Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 räumlich ausgedehnt werden. Auf diese Weise können Inhomogenitäten infolge von Interferenzeffekten geglättet werden (in 9 schematisch angedeutet).
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Umlenkoptik 22 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Umlenkoptik 22 zwei doppelbrechende Elemente 56a, 56b, die im Strahlengang nacheinander angeordnet sind. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Elemente 56a, 56b so angeordnet, dass ihre jeweiligen optischen Achsen 57a, 57b in voneinander verschiedenen Richtungen verlaufen. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die doppelbrechenden Elemente 56a, 56b den Eingangslaserstrahl 18 so aufteilen, dass die Teilstrahlen 68a, 68b die Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 in einem gemeinsamen Beleuchtungsspot, aber aus voneinander verschiedenen Einfallsrichtungen, mithin unter verschiedenen Einfallswinkeln beleuchten. Prinzipiell kann das Aufspalten beliebig oft vorgenommen werden. Ggf. muss dazwischen die Polarisation erneut gedreht und beispielsweise zirkular ausgerichtet werden. Beispielsweise wäre dann von dem initialen Strahl ein 4-fach Bündel ausgehend.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Umlenkoptik 22 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Umlenkoptik 22 ein doppelbrechendes Element 56 und ein isotropes optisches Element 58, das im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Element 56 angeordnet ist. Die Teilstrahlen 68a, 68b beleuchten die Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 hier mit beispielhaft mit einem relativen Ortsversatz und mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln. Durch die Kombination eines doppelbrechenden Elements 56 mit einem isotropen optischen Element 58 ergeben sich zahlreiche Freiheitsgrade, um die Beleuchtung der Eingangsapertur 38 der Umformoptik 24 zu optimieren.
Des Weiteren kann die Umlenkoptik 22 ein anamorphotisches Teleskop beinhalten. Dieses formt den Eingangslaserstrahl 18 in einen stark elliptischen Strahl um. Aufgrund der Strahlparametererhaltung steigt bei abnehmender Breite w die Breite des Winkelspektrums θ an und umgekehrt: $θ_{x} w_{x} = \frac{λ}{π} M_{x}^{2} und θ_{y} w_{y} = \frac{λ}{π} M_{y}^{2}$
Damit wirkt sich die Strahlablenkung im Wesentlichen auf eine der Richtungskomponenten aus, während die andere Richtungskomponente weitgehend unbeeinflusst bleiben kann. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn δθ/θ_x~1 oder > 1 ist, während δθ/θ_y « 1 ist, wenn der Laserstrahl eine linienförmige Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsfläche erzeugen soll, bei der die Laserlinie in x-Richtung verläuft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018019374 A1 [0004]
DE 102016006960 A1 [0007]
WO 2007100608 A1 [0008]
DE 102014204960 A1 [0009]
US 20140268265 A1 [0009]
US 20110097906 A1 [0010]
US 20160103313 A1 [0010]

Claims

Optische Anordnung (20) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12), der sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und in einer Arbeitsebene (12) einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x) ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist, die optische Anordnung (20) umfassend: - eine Umformoptik (24) mit einer Eingangsapertur (38), durch die der Eingangslaserstrahl (18) einstrahlbar ist, und mit einer länglich ausgebildeten Ausgangsapertur (40), wobei die Umformoptik (24) derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur (38) eingestrahlte Eingangslaserstrahl (18) in ein durch die Ausgangsapertur (40) austretendes Strahlpaket (26) mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten (48a, 48b, 48c) umgewandelt wird, - eine Homogenisierungsoptik (28), die im Strahlengang nach der Umformoptik (24) angeordnet ist und dazu beiträgt, das Strahlpaket (26) in den linienartigen Ausgangsstrahl (12) umzuwandeln, wobei verschiedene Strahlsegmente (48a, 48b, 48c) des Strahlpakets (26) entlang der Linienrichtung (x) durchmischt und überlagert werden, gekennzeichnet durch eine Umlenkoptik (22), die im Strahlengang vor der Umformoptik (24) angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl (18) in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuspalten, wobei die Vielzahl von Teilstrahlen die Eingangsapertur (38) mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln und/oder mit einem Ortsversatz relativ zueinander beleuchten.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrahlen die Eingangsapertur statisch beleuchten.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Teilstrahlen die Eingangsapertur gemeinsam beleuchten.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umlenkoptik (22) dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl (18) in eine Vielzahl von Teilstrahlen (68a, 68b) mit gleicher Intensität aufzuspalten.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umlenkoptik (22) ein doppelbrechendes Element (56) aufweist, das den Eingangslaserstrahl (18) in die Vielzahl von Teilstrahlen aufspaltet.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 5, wobei die Umlenkoptik (22) wenigstens zwei doppelbrechende Elemente aufweist, die im Strahlengang hintereinander angeordnet sind.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsapertur (38) länglich ausgebildet ist und eine Eingangsapertur-Längsrichtung (42) definiert, und wobei die Umlenkoptik (22) dazu ausgebildet ist, die Vielzahl von Teilstrahlen entlang der Eingangsapertur-Längsrichtung (42) zu verteilen.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsapertur (38) länglich ausgebildet ist und eine Eingangsapertur-Längsrichtung (42) definiert, und wobei die Umlenkoptik (22) dazu ausgebildet ist, die Vielzahl von Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln bezogen auf die Eingangsapertur-Längsrichtung (42) zu erzeugen.
Optische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsapertur (38) eine Eingangsapertur-Längsrichtung (42) definiert, und wobei die Umlenkoptik (22) dazu ausgebildet ist, die Vielzahl von Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Einfallswinkeln quer zu der Eingangsapertur-Längsrichtung (42) zu erzeugen.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend wenigstens ein Transformationslinsenelement (30), insbesondere in Form einer Fourierlinse (54), wobei das Transformationslinsenelement (30) im Strahlengang auf die Homogenisierungsoptik (28) folgend angeordnet ist.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsapertur (38) der Umformoptik (24) länglich ausgebildet ist und eine Eingangsapertur-Längsrichtung (42) definiert, und wobei die Ausgangsapertur (40) länglich ausgebildet ist und eine Ausgangsapertur-Längsrichtung (44) definiert, die von der Eingangsapertur-Längsrichtung (42) verschieden ist,.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 11, wobei die Umformoptik (24) derart ausgebildet ist, dass ein Abstand benachbarter Strahlsegmente (48a, 48b, 48c) des Strahlpakets (26) größer ist als eine Ausdehnung der Strahlsegmente (48a, 48b, 48c) senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung (44) und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z).
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umformoptik (24) derart ausgebildet ist, dass benachbarte Strahlsegmente (46a, 46b, 46c) des Eingangslaserstrahls (18) beim Durchtritt durch die Umformoptik (24) in Strahlsegmente (48a, 48b, 48c) des Strahlpakets (26) umsortiert werden, wobei benachbarte Strahlsegmente (48a, 48b, 48c) des Strahlpakets (26) beim Durchlaufen der Umformoptik (24) unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt haben, so dass das Strahlpaket (26) eine verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist.
Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umformoptik (24) aus einem monolithischen, plattenartigen, transparenten Material gebildet ist, aufweisend eine Plattenvorderseite (34) und eine im Wesentlichen parallel hierzu verlaufenden Plattenrückseite (36), wobei ein Bereich der Plattenvorderseite (34) die Eingangsapertur (38) bereitstellt und ein Bereich der Plattenrückseite (36) die Ausgangsapertur (40) bereitstellt, wobei die Umformoptik (24) derart ausgebildet ist, dass Strahlsegmente (46a, 46b, 46c) des Eingangslaserstrahls (18) nach Einkopplung durch die Eingangsapertur (38) durch Reflexion an der Plattenvorderseite (34) und an der Plattenrückseite (36) zur Ausgangsapertur (40) geleitet werden.
Lasersystem (10) zur Erzeugung eines linienartigen Ausgangsstrahls (12) mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil aufweist, umfassend: - wenigstens eine Laserlichtquelle (14) zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls (18); - eine optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls (18) in den linienartigen Ausgangsstrahl (12).