DE102021125621B3

DE102021125621B3 - Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene

Info

Publication number: DE102021125621B3
Application number: DE102021125621.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Heimes; Torsten Beck; Julian Hellstern; Christoph Tillkorn; Christian Stolzenburg
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2041-10-05

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14) besitzt eine Laserlichtquelle (20), die eine Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) erzeugt. Die Vorrichtung besitzt ferner eine optische Anordnung (32), die einen kombinierten Beleuchtungsstrahl (34) aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) erzeugt. Der kombinierte Beleuchtungsstrahl (34) definiert eine Strahlrichtung, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und besitzt im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (16), das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist. Die optische Anordnung (32) ist relativ zu der Arbeitsebene (14) entlang einer Bewegungs-richtung (18) bewegbar, um ein Werkstück mit Hilfe des kombinierten Beleuchtungsstrahls (34) zu bearbeiten. Die optische Anordnung (32) beinhaltet ein Konversionsmodul (26), das aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) eine Anzahl von UV-Laserrohstrahlen (30) erzeugt. Das Konversionsmodul (26) besitzt eine Eingangsapertur (24), der die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) zugeführt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung, die dazu eingerichtet ist, einen kombinierten Beleuchtungsstrahl aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen entlang eines Strahlengangs zu erzeugen, wobei der kombinierte Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei der kombinierte Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, und wobei die optische Anordnung relativ zu der Arbeitsebene entlang einer Bewegungsrichtung bewegbar ist, um ein Werkstück mit Hilfe des kombinierten Beleuchtungsstrahls zu bearbeiten, wobei die optische Anordnung ein Konversionsmodul beinhaltet, das dazu eingerichtet ist, aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen eine Anzahl von UV-Laserrohstrahlen zu erzeugen, und wobei die optischen Anordnung eine Anzahl von optischen Elementen beinhaltet, die dazu eingerichtet sind, den kombinierten Beleuchtungsstrahl auf der Arbeitsebene aus der Anzahl von UV-Laserrohstrahlen zu erzeugen
Eine solche Vorrichtung ist dem Grunde nach aus US 2020/0235544 A1 bekannt.
Die linienförmige Laserbeleuchtung einer solchen Vorrichtung kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um ein Werkstück thermisch 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 zunehmend für Displays in Smartphones, Tablet-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 dabei die Haftverbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
Eine weitere vielgenutzte Anwendung für die sequentielle Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird auch hier mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen und anschließende Abkühlen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing SLA, als Sequential Lateral Solidification (SLS) oder als Excimer Laser Annealing (ELA) bezeichnet.
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 dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie mit einem sehr großen Aspektverhältnis von Linienlänge zu Linienbreite. Für typische Anwendungen kann eine Linienlänge von 100mm und mehr bei einer Linienbreite in einer Größenordnung von 20µm wünschenswert sein. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse (LA) und die Linienbreite als kurze Achse (SA, Short Axis)) des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist häufig, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung häufig ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil) oder ein Gaußprofil gewünscht.
WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen einer solchen Laserlinie mit zahlreichen Details, die die Elemente der optischen Anordnung betreffen. Die optische Anordnung beinhaltet hier einen Kollimator, der einen Laserrohstrahl kollimiert, sowie einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahltransformator nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in der langen Achse auf. Prinzipiell kann der Strahltransformator auch mehrere Laserrohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer erzeugt das gewünschte Strahlprofil in der langen Achse. Die Fokussierstufe fokussiert den umgeformten Laserstrahl auf eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. Die bekannte Vorrichtung eignet sich für LLO- und SLA-Anwendungen und kann mit Laserstrahlung mit Wellenlängen aus dem Infrarotbereich (IR) bis hin zum ultravioletten Bereich (UV) implementiert werden.
Aus JP 2017-221969 A und aus US 2017/0179675 A1 ist jeweils eine Vorrichtung mit einer Wellenlängenkonversion zum Erzeugen einer ultravioletten Laserlinie in einer Arbeitsebene bekannt.
Für manche Anwendungen ist eine Laserlinie im ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich wünschenswert. Häufig wird die UV-Laserstrahlung dabei mit einem Excimerlaser erzeugt, der zur Gruppe der Gaslaser gehört. Der artige Laserstrahlquellen sind relativ groß und benötigen daher eine relativ große Stellfläche (Footprint). Darüber hinaus sind die Materialkosten für die Glasmaterialien der erforderlichen Linsen relativ hoch im Vergleich zu Vorrichtungen, die mit IR-Laserstrahlung arbeiten.
Die eingangs genannte US 2020/0235544 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Umwandlung von amorphem Silizium unter Verwendung eines UV-Laserlinie, wobei die Laserlinie aus mehreren UV-Laserstrahlen erzeugt wird, die von mehreren UV-Laserquellen bereitgestellt werden. Jede UV-Laserquelle beinhaltet einen Festkörperlaser, der zunächst Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich erzeugt. Mit einem nichtlinearen Kristall wird die Frequenz der IR-Laserstrahlung verdoppelt und verdreifacht und auf diese Weise wird innerhalb jeder Laserquelle aus der IR-Laserstrahlung eine UV-Laserstrahlung erzeugt. Mit anderen Worten beinhaltet hier jede Laserquelle ein Konversionsmodul, das die IR-Laserstrahlung in UV-Laserstrahlung umwandelt. In einem Ausführungsbeispiel werden sechs UV-Laserstrahlen aus sechs derartigen UV-Laserquellen zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl zusammengeführt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine möglichst kostengünstige Realisierung ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei das Konversionsmodul eine Eingangsapertur aufweist, der die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen zugeführt sind.
Die neue Vorrichtung ermöglicht eine räumliche Trennung zwischen der primären IR-Laserquelle und dem Konversionsmodul, mithin eine externe Konversion der IR-Laserstrahlung außerhalb des primären Lasermoduls. Die Strahlführung eines IR-Laserstrahls ist aufgrund der größeren Wellenlänge im Vergleich zu einem UV-Laserstrahl einfacher. Materialanforderungen an die optischen Gläser und/oder die Oberflächenqualität sind bei der Strahlführung von IR-Laserstrahlen geringer als bei UV-Laserstrahlen. Daher ist es möglich, die IR-Laserquelle und das Konversionsmodul auf einer zur Verfügung stehenden Grundfläche flexibel zu platzieren und die zur Verfügung stehende Grundfläche optimal auszunutzen. Infolgedessen kann der Footprint der neuen Vorrichtung reduziert oder an die vorhandene Grundfläche angepasst werden.
Darüber hinaus besitzt die neue Vorrichtung den Vorteil, dass mehrere IR-Laserstrahlen mit einem gemeinsamen Konversionsmodul umgewandelt werden. Dies macht es einerseits möglich, einen UV-Laserstrahl mit relativ hoher Leistung aus mehreren IR-Festkörperlaserquellen mit niedrigerer oder mittlerer Leistung auf kostengünstige Weise zu erzeugen. Darüber hinaus besitzt die neue Vorrichtung den großen Vorteil, dass das Aspektverhältnis des UV-Laserstrahls (M_x ² >> M_y ²) auf sehr effiziente Weise schon früh im Strahlengang im Hinblick auf die gewünschte Laserlinie mit M_x ² >> M_y ² günstig beeinflusst werden kann. Insbesondere ermöglicht die neue Vorrichtung, den Strahlquerschnitt des UV-Laserstrahls auf sehr effiziente Weise in der langen Achse aufzuweiten. Vorteilhaft kann die Zusammenführung von mehreren IR-Laserstrahlen an der Eingangsapertur des Konversionsmoduls also genutzt werden, um die Beugungsmaßzahl M² in der langen Achse viel größer zu machen als in der kurzen Achse. Dies vereinfacht die Strahlformung mit den weiteren optischen Elementen im Strahlengang der optischen Anordnung.
Angesichts dessen ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen der Eingangsapertur des Konversionsmoduls lateral versetzt zueinander zugeführt.
In dieser Ausgestaltung verteilen sich die IR-Laserrohstrahlen in einer Richtung quer zu der Flächennormalen der Eingangsapertur. In einigen Ausführungsbeispielen können alle IR-Laserrohstrahlen, die der Eingangsapertur zugeführt sind, entlang einer Linie quer zu der Flächennormalen der Eingangsapertur verteilt sein. In anderen Ausführungsbeispielen können die IR-Laserrohstrahlen eine Fläche auf der Eingangsapertur aufspannen, wobei diese Fläche in allen bevorzugten Ausführungsbeispielen eine längliche Erstreckung in einer Richtung aufweist, so dass die IR-Laserrohstrahlen die Eingangsapertur mit einem Aspektverhältnis beleuchten, das größer 1 ist. Bevorzugt trägt die Verteilung der IR-Laserrohstrahlen auf der Eingangsapertur zu einem hohen Aspektverhältnis M_x ² >> M_y ² des ausgehenden UV-Laserrohstrahls bei. Die Ausgestaltung trägt vorteilhaft zu einer geringen lateralen Kohärenz des Beleuchtungsstrahls und damit zu einer Laserlinie mit einer hohen Linienqualität bei.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen Strahltransformator auf, der im Strahlengang vor dem Konversionsmodul angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen in einer Richtung quer zu der Strahlrichtung aufzuweiten.
Mit dieser Ausgestaltung kann das Aspektverhältnis des UV-Laserstrahls noch weiter und/oder noch effizienter im Hinblick auf die gewünschte Laserlinie optimiert werden. Vorteilhaft können die eingangsseitigen IR-Laserrohstrahlen auf der Eingangsapertur des Konversionsmoduls auf diese Weise eine Aufweitung in Richtung der langen Achse erhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Vielzahl von Lichtleitfasern auf, mit denen die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen der Eingangsapertur zugeführt sind.
Alternativ oder ergänzend könnten die IR-Laserrohstrahlen der Eingangsapertur des Konversionsmoduls als Freistrahlen zugeführt sein. Die Verwendung von Lichtleitfasern ermöglicht eine sehr flexible und effiziente Strahlführung und erleichtert somit eine Optimierung des Footprint der neuen Vorrichtung auf einer zur Verfügung stehenden Grundfläche. Zudem ist die IR-Strahlführung mit Lichtleitfasern im Betrieb der neuen Vorrichtung sehr stabil.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen der Eingangsapertur polarisationserhaltend zugeführt.
Häufig sind IR-Laserrohstrahlen einer kostengünstigen IR-Laserquelle polarisiert, beispielsweise linear polarisiert. Die Polarisation kann in der optischen Anordnung vorteilhaft genutzt werden, um das Strahlprofil des Beleuchtungsstrahls zu optimieren. Eine polarisationserhaltende Zuführung der IR-Laserrohstrahlen erleichtert diese Optimierung, da auf bereits bewährte Strahlführungskonzepte für gattungsgemäße Vorrichtungen zurückgegriffen werden kann. Aus diesem Grund begünstigt eine polarisationserhaltende Strahlzuführung eine kostengünstige Realisierung. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen sind die Lichtleitfasern polarisationserhaltend ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Strahlteiler auf, der im Strahlengang vor dem Konversionsmodul angeordnet ist und der die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen durch Strahlteilung erzeugt.
In dieser Ausgestaltung besitzt die neue Vorrichtung einen Strahlteiler, der eine Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen durch Strahlteilung eines eingangsseitigen IR-Laserrohstrahls erzeugt. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Leistung des eingangsseitigen IR-Laserrohstrahls zu hoch ist, um eine kostengünstige Strahlführung zu dem Konversionsmodul zu nutzen. Vorteilhaft kann ein Strahlteiler daher verwendet werden, um die Strahlführung der IR-Laserrohstrahlen beispielsweise mit sehr kostengünstigen Lichtleitfasern und/oder sehr kostengünstigen Linsenelementen zu realisieren. Vorteilhaft kann somit beispielsweise die Pulsenergie eines IR-Laserrohstrahl auf mehrere kostengünstige Lichtlasern aufgeteilt werden. Die Gesamtheit der aufgeteilten IR-Laserrohstrahlen kann dann die Energie zu dem Konversionsmodul transportieren.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Laserlichtquelle eine Vielzahl von IR-Laserlichtquellen auf, insbesondere eine Vielzahl von Festkörperlasern.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil durch die Kombination von mehreren IR-Laserrohstrahlen von mehreren IR-Laserquellen eine hoher Pulsenergie des Beleuchtungsstrahls auf kostengünstige und effiziente Weise möglich gemacht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen - vorzugsweise abbildenden - Homogenisierer auf, der im Strahlengang nach dem Konversionsmodul angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen in der langen Achse homogen zu verteilen.
In dieser Ausgestaltung erfolgt die Bildung des gewünschten Strahlprofils in der langen Achse maßgeblich in dem UV-Zweig der Vorrichtung. Die Ausgestaltung erleichtert eine sehr homogene Intensitätsverteilung entlang der langen Achse, was für viele Anwendungen wünschenswert ist. Generell können am Ausgang des Konversionsmoduls ein oder mehrere UV-Laserrohstrahlen austreten und mit Hilfe des Homogenisierers zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl mit dem gewünschten Strahlprofil umgeformt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Anzahl an optischen Linsen- und/oder Spiegelelementen auf, die im Strahlengang nach dem Konversionsmodul angeordnet sind und die dazu eingerichtet sind, das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene zu erzeugen.
In dieser Ausgestaltung besitzt die neue Vorrichtung eine oder mehrere Linsen- und/oder Spiegelelemente, die eine Strahlformung auch in der kurzen Achse in dem UV-Zweig bewirken. Die Linsen- und/oder Spiegelelemente sind in vorteilhaften Ausführungsbeispielen auf die UV-Laserstrahlung optimiert und tragen dazu bei, das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene optimal zu gestalten.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Konversionsmodul ein nicht-lineares optisches Medium auf, das die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen durch Frequenzvervielfachung aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen erzeugt.
In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen beinhaltet das Konversionsmodul eine Frequenzverdreifachung (Third Harmonic Generation, THG). Prinzipiell kann das Konversionsmodul aber auch eine Frequenzverdopplung implementieren. Das Phänomen der Frequenzverdopplung oder Frequenzverdreifachung kann bei der Bestrahlung von ausgewählten Materialien mit energiereicher Laserstrahlung auftreten, beispielsweise wenn der IR-Laserstrahl eines Nd:YAG-Lasers einen Kristall aus Lithiumniobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Bariummetaborat oder Lithiumtriborat bestrahlt. Mit dieser Ausgestaltung kann die neue Vorrichtung sehr kostengünstig realisiert werden.
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 eine vereinfachte Darstellung des Strahlprofils des Beleuchtungsstrahls auf der Arbeitsebene gemäß Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
3 und 4 zwei Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise eines Strahltransformators, wie er in Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung zum Einsatz kommen kann,
5 die Strahlformung eines UV-Laserrohstrahls in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung, und
6 Details eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
7 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie 12 im Bereich einer Arbeitsebene 14, um ein Werkstück (hier nicht dargestellt) zu bearbeiten, das im Bereich der Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Laserlinie 12 verläuft in einer Richtung, die im Folgenden als x-Achse bezeichnet ist. Die Laserlinie besitzt eine Linienbreite, die hier in Richtung einer orthogonal zur x-Achse verlaufenden y-Achse betrachtet wird. Dementsprechend korrespondiert die x-Achse im Folgenden mit der langen Achse und die y-Achse korrespondiert mit der kurzen Achse des auf der Arbeitsebene 14 gebildeten Strahlprofils 16 (vgl. 2). Anders ausgedrückt besitzt das Strahlprofil 16 eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite 16a in x-Richtung und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite 16b in y-Richtung. Die jeweilige Strahlbreite kann beispielsweise als Breite des Intensitätsprofils I(x, y) bei 50% der Maximalintensität (FWHM, Full Width at Half Maximum) oder beispielsweise als Breite zwischen den 90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%) oder auf andere Weise definiert sein.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine Oberflächenschicht aus amorphem Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie 12 zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Zur Bearbeitung kann die Laserlinie 12 dabei in einer Bewegungsrichtung 18 relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine transparente Trägerplatte sein, von der eine anhaftende Folie, beispielsweise eine OLED-Folie, gelöst werden soll.
Die Vorrichtung 10 besitzt eine Laserlichtquelle 20, die in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Festkörperlaser sein kann, der Laserlicht im Infrarotbereich erzeugt. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 20 einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1064 nm beinhalten. Die Laserlichtquelle 20 erzeugt hier eine Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen 22. Die IR-Laserrohstrahlen 22 sind der Eingangsapertur 24 eines Konversionsmodul 26 hier seitlich versetzt zueinander und damit lateral verteilt zugeführt. Das Konversionsmodul 26 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Kristalle 28 aus einem nichtlinearen optischen Material, wie etwa Lithiumniobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Bariummetaborat oder Lithiumtriborat. Durch die Bestrahlung des zumindest einen Kristalls 28 mit den IR-Laserrohstrahlen 22 können Dipolschwingungen im Kristall angeregt werden, die zu einer Frequenzvervielfachung (Frequenzverdopplung, Frequenzverdreifachung oder auch höhere Harmonische) der ausgangsseitigen Laserstrahlung führen. Auf der Ausgangsseite des Konversionsmodul 26 treten hier dementsprechend ein oder mehrere UV-Laserrohstrahlen 30 aus. Der eine oder die mehreren UV-Laserrohstrahlen 30 werden mit weiteren optischen Elementen der optischen Anordnung 32 zu einem Beleuchtungsstrahl 34 umgeformt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet die optischen Anordnung 32 beispielhaft einen Strahltransformator 36, der im Strahlengang (hier angedeutet durch eine optische Achse 38) nach dem Konversionsmodul 26 angeordnet ist. Der Strahltransformator 36 weitet den UV-Laserrohstrahl 30 in der langen Achse auf. Prinzipiell ist es möglich, den Beleuchtungsstrahl ohne den Strahltransformator 36 nach dem Konversionsmodul 26 zu erzeugen. Nach dem Strahltransformator 36 folgen hier ein oder mehrere optische Elemente 40, die den aufgeweiteten UV-Laserstrahl in der langen Achse homogenisieren und ein gewünschtes Strahlprofil 16 im Bereich der Arbeitsebene 14 bilden. Der Beleuchtungsstrahl 34 definiert eine Strahlrichtung, die hier in Richtung der z-Achse verläuft und die Arbeitsebene 14 schneidet.
Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, kann der Strahltransformator 36 in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein für die Laserstrahlung transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element 41 mit einer Vorderseite 42 und einer Rückseite 43 beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinander stehen. Das plattenförmige Element 41 ist hier vorteilhaft unter einem spitzen Winkel zu dem Laserrohstrahl 30 angeordnet. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen in den bevorzugten Ausführungsbeispielen jeweils eine reflektierende Beschichtung, so dass der einfallende Laserrohstrahl mehrfache Reflexionen in dem plattenförmigen Element 41 erfährt, bevor er aufgeweitet an der Rückseite 43 des plattenförmigen Elements austritt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator mit Hilfe einer Blende realisiert sein.
Ein Bereich der Plattenvorderseite 42 dient als Lichteinkoppelfläche und bildet eine Eingangsapertur 44 des Strahltransformators 36. Ein Bereich 45 der Plattenrückseite 43 wirkt als Lichtauskoppelfläche und bildet eine Ausgangsapertur, durch die ein aufgeweitetes Strahlpaket austritt. Wie aus 3 und 4 ersichtlich, kann die Eingangsapertur 44 in einigen Ausführungsbeispielen länglich ausgebildet sein und sich entlang einer Eingangsapertur-Längsrichtung 44' erstrecken. Die Ausgangsapertur 45 ist hier ebenfalls länglich ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung 45`.
Der Strahltransformator 36 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel derart, dass benachbarte Strahlsegmente 46a, 46b, 46c des einfallenden Laserstrahls 30 beim Durchlauf durch das plattenförmige Element 41 in Strahlsegmente 48a, 48b, 48c des austretenden Strahlpakets 48 umsortiert werden. Die Strahlsegmente 48a, 48b, 48c liegen entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung 45' nebeneinander. Dies ist eine Folge davon, dass die durch die Eingangsapertur 44 eingekoppelten Strahlsegmente 46a, 46b, 46c durch interne Reflexion zwischen der Plattenvorderseite 42 und der Plattenrückseite 43 zur Ausgangsapertur 45 geführt werden. Da die Strahlsegmente 46a, 46b, 46c an verschiedenen Positionen durch die Eingangsapertur 44 eingekoppelt werden, haben die aus der Ausgangsapertur 45 austretenden Strahlsegmente 48a, 48b, 48c unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt. Der Strahltransformator 36 ist hier insbesondere derart ausgebildet, dass die optischen Wege der verschiedenen Strahlsegmente 48a, 48b, 48c derart verschieden voneinander sind, dass der austretende Laserstrahl 48 eine stark verringerte Kohärenz aufweist, vorzugsweise inkohärent ist. Dies erreicht man insbesondere dadurch, dass die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente 48a, 48b, 48c groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der einfallenden Laserstrahlung sind.
Wie in 5 dargestellt ist, beinhaltet die optische Anordnung 32 in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Langachsoptik 50, die den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der langen Achse formt und auf die Arbeitsebene 14 abbildet. Insbesondere kann die Langachsoptik 50 ein oder mehrere Mikrolinsenarrays 52, 54 sowie eine oder mehrere Linsen oder Spiegelelemente 56, 58, 60 mit optischer Brechkraft überwiegend in der langen Achse beinhalten. Die Mikrolinsenarrays 52, 54 und eine Linse 56 sind vorzugsweise als Zylinderlinsen ausgebildet, die sich mit ihrer jeweiligen Zylinderachse in y-Richtung erstrecken und einen abbildenden Homogenisierer bilden, der den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der langen Achse homogenisiert, um ein definiertes, typischerweise Top Hat-förmiges Intensitätsprofil in der langen Achse zu erhalten.
Die optische Anordnung 32 beinhaltet in bevorzugten Ausführungsbeispielen ferner eine Vielzahl von optischen Elementen 62, 64, 66, die den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der kurzen Achse formen und auf die Arbeitsebene 14 fokussieren. Die optischen Elemente 62, 64, 66 beinhalten hier beispielhaft eine erste Linse 62 und eine zweite Linse 64, die zusammen eine Teleskopanordnung bilden. Das optische Element 66 ist hier eine Objektivlinse mit einem oder mehreren Linsenelementen, die den Beleuchtungsstrahl 34 in kurzer Achse auf die Arbeitsebene 14 fokussiert.
6 zeigt Details eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, die in diesem Fall mit der Bezugsziffer 10` bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10` besitzt eine Vielzahl von separaten IR-Laserlichtquellen 20a, 20b, 20c, die jeweils einen IR-Laserrohstrahl 22a, 22b, 22c erzeugen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die IR-Laserlichtquellen 20a, 20b, 20c jeweils Festkörperlaserquellen, beispielsweise Nd:YAG oder Yb:YAG Laserquellen. Die Vorrichtung 10` besitzt ferner eine Vielzahl von Lichtleitfasern 70a, 70b, 70c. In diesem Ausführungsbeispiel koppelt jede IR-Laserlichtquelle 20a, 20b, 20c einen IR-Laserrohstrahl in eine der Lichtleitfasern 70a, 70b, 70c ein. Die Lichtleitfasern 70a, 70b, 70c führen die IR-Laserrohstrahlen 22a, 22b, 22c lateral versetzt zueinander der Eingangsapertur 24 eines Konversionsmoduls 26 zu. Das Konversionsmodul 26 erzeugt hier aus den IR-Laserrohstrahlen 22a, 22b, 22c einen gemeinsamen UV-Laserrohstrahl 30, der dann weiteren optischen Elementen im Strahlengang der optischen Anordnung 32 zugeführt ist, beispielsweise den optischen Elementen 52 bis 66 gemäß 5.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet die optische Anordnung 32 einen Strahltransformator 36, der vor dem Konversionsmodul 26 im Strahlengang angeordnet ist und dem Konversionsmodul 26 bzw. dem darin enthaltenen Kristall 28 ein quer zur Strahlrichtung aufgeweitetes IR-Strahlpaket zuführt. Die Eingangsapertur des Strahltransformators 36 bildet hier gewissermaßen eine vorgeschaltete Eingangsapertur für das Konversionsmodul 26. Der Strahltransformator 36 ist in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen aufgebaut, wie hier weiter oben anhand der 3 und 4 dargestellt ist, lediglich mit dem Unterschied, dass das auf die Eingangsapertur 44 einfallende Laserstrahlpaket aus mehreren lateral zueinander versetzen IR-Laserrohstrahlen gebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der UV-Laserrohstrahl 30 am Ausgang des Konversionsmoduls 26 bereits ein hohes Aspektverhältnis (M_x ² >> M_y ²) mit einem in der langen Achse aufgeweiteten UV-Laserstrahl.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wir zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt eine einzelne IR-Laserquelle einen IR-Laserrohstrahl 22, der mit Hilfe eines optischen Strahlteilers 76 in eine Vielzahl von IR-Laserteilstrahlen 22a, 22b, 22c ... aufgeteilt wird. Anschließend sind die IR-Laserteilstrahlen 22a, 22b, 22c ... hier einem Konversionsmodul 26 zugeführt. Das Konversionsmodul 26 erzeugt aus den IR-Laserteilstrahlen 22a, 22b, 22c ... einen oder mehrere UV-Laserrohstrahlen 30, die mit Hilfe der optischen Anordnung dann zu dem Beleuchtungsstrahl 34 mit dem gewünschten Strahlprofil umgeformt werden. Alternativ oder ergänzend können auch mehrere IR Strahlquellen eingesetzt werden, deren Laserstrahlen als Freistrahlen dem Konversionsmodul zugeführt werden.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14), mit einer Laserlichtquelle (20), die dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung (32), die dazu eingerichtet ist, einen kombinierten Beleuchtungsstrahl (34) aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) entlang eines Strahlengangs (38) zu erzeugen, wobei der kombinierte Beleuchtungsstrahl (34) eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene (14) schneidet, wobei der kombinierte Beleuchtungsstrahl (34) im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (16) besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite (16a) und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite (16b) aufweist, und wobei die optische Anordnung (32) relativ zu der Arbeitsebene (14) entlang einer Bewegungsrichtung (18) bewegbar ist, um ein Werkstück mit Hilfe des kombinierten Beleuchtungsstrahls (34) zu bearbeiten, wobei die optische Anordnung (32) ein Konversionsmodul (26) beinhaltet, das dazu eingerichtet ist, aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) eine Anzahl von UV-Laserrohstrahlen (30) zu erzeugen, und wobei die optischen Anordnung (32) eine Anzahl von optischen Elementen (52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66) beinhaltet, die dazu eingerichtet sind, den kombinierten Beleuchtungsstrahl (34) auf der Arbeitsebene (14) aus der Anzahl von UV-Laserrohstrahlen (30) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionsmodul (26) eine Eingangsapertur (24) aufweist, der die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) zugeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) der Eingangsapertur (24) des Konversionsmoduls (26) lateral versetzt zueinander zugeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) einen Strahltransformator (36) aufweist, der im Strahlengang vor dem Konversionsmodul (26) angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) in einer Richtung quer zu der Strahlrichtung aufzuweiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) eine Vielzahl von Lichtleitfasern (70a, 70b, 70c) aufweist, mit denen die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) der Eingangsapertur (24) zugeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) der Eingangsapertur (24) polarisationserhaltend zugeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (76), der im Strahlengang vor dem Konversionsmodul (26) angeordnet ist und der die Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) durch Strahlteilung erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (20) eine Vielzahl von IR-Laserlichtquellen (20a, 20b, 20c) aufweist, insbesondere eine Vielzahl von Festkörperlasern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) einen Homogenisierer (52, 54) aufweist, der im Strahlengang nach dem Konversionsmodul (26) angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen (30) in der langen Achse homogen zu verteilen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) eine Anzahl an optischen Linsen- und/oder Spiegelelementen (52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66) aufweist, die im Strahlengang nach dem Konversionsmodul (26) angeordnet sind und die dazu eingerichtet sind, das Strahlprofil (16) im Bereich der Arbeitsebene (14) zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionsmodul (26) ein nicht-lineares optisches Medium (28) aufweist, das die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen (30) durch Frequenzvervielfachung aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen (22a, 22b, 22c) erzeugt.