DE102022109638A1

DE102022109638A1 - Optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahls mit erhöhter Homogenität im Intensitätsverlauf

Info

Publication number: DE102022109638A1
Application number: DE102022109638.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Irion; Dennis Rehm
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-04-21
Filing date: 2022-04-21
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023203046A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (20) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12) mit einer Intensitätsverteilung erhöhter Homogenität. Auch betrifft die Erfindung ein Lasersystem (10) zur Erzeugung eines linienartigen Ausgangstrahls (12) mit einer solchen Intensitätsverteilung, welches eine solche optische Anordnung (20) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Verlagerungseinrichtung (54) an einem von zwei Linsen-Arrays (38, 40) in einer optischen Anordnung (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl, ein Lasersystem umfassend eine solche optische Anordnung und ein Verfahren zum Steuern einer Verlagerungseinrichtung an zumindest einem von zwei Linsen-Arrays in einer optischen Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl.
Die betroffenen Lasersysteme dienen der Erzeugung einer insbesondere hochintensiven Strahlung mit einer Intensitätsverteilung, die einen linienartig erstreckten Strahlquerschnitt aufweist. Im Folgenden wird die durch die linienartige Ausdehnung definierte Achse als „lange Achse“ der Intensitätsverteilung bezeichnet. Eine Achse senkrecht zur linienartigen Ausdehnung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird auch als „kurze Achse“ bezeichnet.
Für die Beschreibung der geometrischen Verhältnisse des Strahls wird jeweils ein lokales Koordinatensystem angenommen, wobei die lange Achse (x), die kurze Achse (y) und die Ausbreitungsrichtung (z) ein orientiertes, rechtshändiges, kartesisches Koordinatensystem definieren.
Die genannten linienartigen Strahlprofile werden beispielsweise eingesetzt, um Oberflächen von Gläsern oder Halbleitern zu bearbeiten (z.B. Tempering, Annealing). Hierbei wird das linienartige Strahlprofil im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse über die zu bearbeitende Oberfläche gescannt. Durch die Strahlung können z.B. Umkristallisationsprozesse, oberflächliche Schmelzungen, Diffusionsprozesse von Fremdmaterialien in das zu behandelnde Material oder sonstige Phasenumwandlungen im Bereich der Oberfläche ausgelöst werden. Derartige Bearbeitungsprozesse kommen z.B. bei der Herstellung von TFT-Displays, bei der Dotierung von Halbleitern, bei der Herstellung von Solarzellen, aber auch zur Herstellung ästhetisch ausgestalteter Glasoberflächen für Bauzwecke zum Einsatz.
Für die vorstehend genannten Bearbeitungsprozesse ist es wichtig, dass das Intensitätsprofil entlang der langen Achse einen möglichst homogenen, im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist und das Intensitätsprofil entlang der kurzen Achse entsprechenden Güteanforderungen gerecht wird. In der Praxis weist das Intensitätsprofil jedoch regelmäßig lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auf, welche z.B. durch Interferenzartefakte (bspw. regelmäßige Beugungsmuster), und/oder Defekte und Formfehler von Optiken (bspw. Aberrationsfehler), und/oder Verunreinigungen von Optiken durch Partikel (führen zu einem Schattenwurf auf der Arbeitsebene) hervorgerufen werden.
Zur Reduktion von Interferenzartefakten ist aus DE 102020108647 A1 eine optische Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, welche es ermöglicht, einen sehr homogenen Intensitätsverlauf bereitzustellen. Nichtsdestotrotz ist es wünschenswert, einen noch stärker homogenen Intensitätsverlauf bereitzustellen, als dies mit der bekannten optischen Anordnung möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine gegenüber dem Stand der Technik noch homogeneren Intensitätsverlauf mit einer entsprechenden optischen Anordnung und einem entsprechenden Lasersystem bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird demnach eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, wobei die optische Anordnung aufweist: eine Umformoptik aufweisend eine Eingangsapertur durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur, wobei die Umformoptik derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten umgewandelt wird; eine Homogenisierungsoptik und wenigstens ein Transformationslinsenmittel, wobei die Homogenisierungsoptik, dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung zu durchmischen, und wobei das Transformationslinsenmittel derart ausgebildet ist, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem linienartigen Ausgangsstrahl überlagert werden, und wobei die Homogenisierungsoptik ein erstes Linsen-Array und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array umfasst, sowie eine Verlagerungseinrichtung mit einem Aktuator, welcher gemäß einem Hauptsteuermodus von einer Steuereinrichtung der Verlagerungseinrichtung zum Verlagern des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array steuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung zumindest einen Zusatzsteuermodus aufweist, der zum zumindest teilweisen Anpassen von durch den Hauptsteuermodus vorgebbaren bzw. vorgegebenen Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays (bzw. des Aktuators und damit des zweiten Linsen-Arrays) zur Homogenisierung des linienartigen Ausgangsstrahls eingerichtet ist.
Die optische Anordnung ist damit eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahles in einen Ausgangsstrahl mit linienartigem Intensitätsprofil. Insofern breitet sich der Ausgangsstrahl (im räumlichen Mittel) in eine Ausbreitungsrichtung aus und weist eine Intensitätsverteilung auf, welche in einer optischen Arbeitsebene der optischen Anordnung einen Strahlquerschnitt mit linienartigem Verlauf entlang einer Richtung aufweist, welche im vorliegenden Zusammenhang als „Linienrichtung“ bezeichnet wird. Da der Strahl beim Durchlaufen der optischen Anordnung je nach Ausgestaltung einmal oder mehrfach umgelenkt werden kann, ist die Linienrichtung derart zu verstehen, dass der Strahlquerschnitt lokal entlang der Linienrichtung in die Länge gezogen ist.
Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur. Die Ausgangsapertur erstreckt sich insbesondere länglich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung. Insbesondere ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung erheblich größer als die Abmessung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung.
Die Umformoptik ist derart ausgebildet, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket umgewandelt wird. Insbesondere bildet das Strahlpaket in einer theoretischen Betrachtungsebene nach der Ausgangsapertur insgesamt bereits eine längliche Intensitätsverteilung, insbesondere bereits mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter. Das Strahlpaket umfasst eine Vielzahl von Strahlsegmenten, die sich insbesondere über die vorzugsweise längliche Ausgangsapertur verteilen und die Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig ausfüllen.
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 insbesondere dazu ausgebildet, aus einem weitgehend kohärenten Eingangslaserstrahl ein Strahlpaket zu erzeugen, welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder sogar im Wesentlichen inkohärent ist.
Die Eigenschaften des Ausgangsstrahls werden auch entscheidend durch die Ausgestaltung der Umformoptik beeinflusst. Die optischen Vorgänge in der Umformoptik sind komplex und haben insbesondere auch Einfluss auf die räumliche Kohärenz der Lichtverteilung, was wiederum entscheidend für die Ausbildung störender Interferenzartefakte ist. Vorzugsweise ist die Umformoptik derart ausgebildet, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur das aus der Ausgangsapertur austretende Strahlpaket eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Dadurch werden Interferenzeffekte bei der im Strahlengang nachfolgenden Homogenisierung und/oder Fokussierung reduziert bzw. gänzlich vermieden, wodurch Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf weiter reduziert werden können.
Die optische Anordnung umfasst außerdem eine Homogenisierungsoptik, welche dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung zu überlagern und zu durchmischen, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich derjenigen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlquerschnitt länglich erstreckt.
Die Homogenisierungsoptik umfasst ein erstes Linsen-Array und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array. Ein Linsen-Array bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Anordnung von mehreren Linsen. Die Anordnung der Linsen kann unregelmäßig sein oder die Linsen können in einem regelmäßigen Muster nebeneinander angeordnet sein.
Möglich ist, dass das erste und das zweite Linsen-Array jeweils eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen aufweisen. Für eine besonders effektive Durchmischung der Strahlsegmente des Strahlpakets ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen sind, dass das Strahlpaket durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt. Eine effektive Homogenisierung lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass die jeweiligen Zylinderachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Linienrichtung verlaufen. Insbesondere sind die Zylinderlinsen entlang der jeweiligen Zylinderachse wölbungsfrei ausgebildet.
Die optische Anordnung umfasst ferner ein der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachgeschaltetes Transformationslinsenmittel. Das Transformationslinsenmittel ist derart ausgebildet, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem linienartigen Ausgangsstrahl überlagert und homogenisiert werden. Insofern trägt das Transformationslinsenmittel insbesondere auch zur Homogenisierung bei. Hierzu kann beispielsweise die Arbeitsebene in einem Fokusbereich des Transformationslinsenmittels verlaufen. Denkbar ist beispielsweise, dass von jedem Bereich der erfassten Strahlung Strahlsegmente in verschiedene, vorzugsweise sämtliche, Bereiche entlang der Linienrichtung fokussiert werden.
Das Transformationslinsenmittel ist insbesondere dazu ausgebildet, die von der Homogenisierungsoptik durchmischten Strahlsegmente (Zwischenstrahlpaket) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Zu diesem Zweck ist das Transformationslinsenmittel vorzugsweise als refraktive Fourieroptik ausgebildet bzw. als (insbesondere nicht abbildendend wirkende) Fourierlinse ausgebildet. Denkbar ist z.B. eine Ausgestaltung als Fresnel-Zonenplatte.
Die optische Anordnung umfasst ferner eine Verlagerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array der Homogenisierungsoptik relativ zu dem ersten Linsen-Array der Homogenisierungsoptik zu verlagern. Für die Verlagerung weist die Verlagerungseinrichtung einen Aktuator auf, der von einer Steuereinrichtung angesteuert wird. Der Aktuator ist insoweit bewegbar mit dem zweiten Linsen-Array gekoppelt, dass eine Betätigung des Aktuators eine Bewegung des zweiten Linsen-Arrays bzw. Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays gegenüber dem ersten Linsen-Array auslöst. Bei dem Aktuator kann sich um einen Motor handeln. Bei dem Aktuator kann es sich z.B. um eine Schwingspule, einen Piezo-Aktor und/oder einen sonstigen Linearmotor handeln.
Die Verlagerungseinrichtung kann ferner einen Gehäuserahmen und eine Halteeinrichtung zur Halterung des zweiten Linsen-Arrays umfassen. Die Halteeinrichtung kann insbesondere an dem Gehäuserahmen verschiebbar gelagert sein. Eine solche Ausgestaltung ist robust und ermöglicht eine sichere Halterung des zweite Linsen-Arrays auch bei vergleichsweise schneller Verlagerung. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung derart an dem Gehäuserahmen gelagert, dass sie entlang der Linienrichtung hin- und her verschiebbar ist. Dabei ist bevorzugt, wenn die Halteeinrichtung an dem Gehäuserahmen gelagert ist, beispielsweise über wenigstens ein Festkörperlager. Denkbar sind auch Lagerungen über ein Wälzlager oder mittels Luftfederung. Eine Lagerung ermöglicht es grundsätzlich, die Halteeinrichtung in einer Schwingbewegung relativ zu dem Gehäuserahmen hin- und her zu verlagern. Insofern ist die Verlagerungseinrichtung derart ausgebildet, dass die Halteeinrichtung relativ zu dem Gehäuserahmen hin- und her schwingen kann. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn eine Steifigkeit der Lagerung (z.B. des wenigstens einen Festkörperlagers) auf eine Frequenz einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung gegenüber dem Gehäuserahmen abgestimmt ist. Die Steifigkeit zur Abstimmung der Schwingbewegung kann aber auch durch ein separates Federmittel bereitgestellt werden, welches die die Halteeinrichtung mit dem Gehäuserahmen koppelt.
Eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array bewirkt u.a. eine Veränderung der Intensitätsverteilung des aus der Homogenisierungsoptik austretenden (durchmischten) Strahlpakets (im Folgenden wird das aus der Homogenisierungsoptik austretende durchmischte Strahlpaket auch als „Zwischenstrahlpaket“ bezeichnet). Insbesondere bewirkt eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets und/oder eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets (d.h. des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt des gesamten Zwischenstrahlpakets).
Eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets (mit anderen Worten eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung des Zwischenstrahlpakets) hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket unter einem veränderten Winkel auf das Transformationslinsenmittel trifft, welches der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachfolgt. Eine derartige Winkeländerung an dem Transformationslinsenmittel führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten kann also durch Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls räumlich verschoben werden. Dies ermöglicht es, durch zeitabhängige Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array den Ausgangsstrahl zeitabhängig räumlich zu verschieben und somit störende Interferenzeffekte im zeitlichen Mittel zu glätten.
Eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets hat hingegen zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket an einer veränderten Position auf das Transformationslinsenmittel trifft. Eine solche räumliche Verschiebung des Zwischenstrahlpakets führt u.a. zu einer Veränderung der Winkelverteilung der Strahlkomponenten des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten wird durch Veränderung der räumlichen Position des Zwischenstrahlpakets eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls verändert.
Durch zeitabhängige Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array können insofern solche Bereiche, welche der optischen Anordnung im Strahlengang nachgeschaltet sind, (bspw. weitere Optikmittel) aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Verunreinigungen im Strahlengang nach der optischen Anordnung (bspw. partikuläre Verunreinigungen auf nachfolgenden Optikmitteln) werden folglich ebenfalls zeitabhängig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, sodass ein von diesen Verunreinigungen erzeugter Schattenwurf zeitabhängig verändert und somit im Mittel geglättet wird. Hierdurch können durch Schattenwurf erzeugte Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden. Zudem können Inhomogenitäten, welche sich aus Formungenauigkeiten von Optiken ergeben, reduziert werden.
Zusammenfassend ermöglicht es eine derartige optische Anordnung, deren Verlagerungseinrichtung mit dem hierin als Hauptsteuermodus bezeichneten Steuermodus betrieben wird, lokale Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im zeitlichen Mittel zu glätten und somit ein deutlich verbessertes Prozessergebnis bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken zu erzielen. Hierneben umfasst die Steuereinrichtung aber auch zumindest einen Zusatzsteuermodus.
Unter einem Steuermodus wird dabei insbesondere eine Operation der Steuereinrichtung verstanden, die seitens der Steuereinrichtung umgesetzt wird, um dem Aktuator eine entsprechende Anweisung bzw. einen Steuerbefehl zu geben. Die Operation bzw. der Steuermodus kann in der Steuereinrichtung, die insbesondere als ein Computer ausgeführt sein kann, bzw. der Verlagerungseinrichtung auf einem entsprechenden Speicher abgespeichert und abrufbar sein, um umgesetzt zu werden. Der Aktuator kann bei Umsetzung eines Steuermodus die entsprechend dem jeweiligen Steuermodus an den Aktuator übermittelten Steuerbefehle umsetzen und so die periodische Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array bewirken, wobei die sich insbesondere in wiederkehrenden Bewegungsmustern ablaufende Verlagerungsbewegung in ihren Ist-Frequenzen und/oder Ist-Amplituden von den Vorgaben in Form der Steuerbefehle der Steuereinrichtung abhängt. Die Steuerbefehle umfassen insoweit Vorgaben von Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden für den Aktuator bzw. das damit bewegbar verbundene zweite Linsen-Array. Da es zwischen den Sollwerten und den Istwerten zu Abweichungen kommen kann wird diesbezüglich zwischen den Werten unterschieden.
Damit sind der Hauptsteuermodus und der zumindest eine Zusatzsteuermodus jeweils Operationen der Steuereinrichtung, welche die Vorgabe von Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden und ganz besonders deren Änderungen, also Änderungen der jeweiligen Vorgaben, bestimmen. Während der Hauptsteuermodus nun grundsätzlich das periodische Verlagern des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array steuert, also insbesondere, welche Soll-Frequenz und/oder Soll-Amplitude umgesetzt werden soll, und die Verlagerungseinrichtung damit allein mit dem Hauptsteuermodus funktionsfähig ist, sorgt der zumindest eine zusätzliche Zusatzsteuermodus durch eine zumindest teilweise Anpassung bzw. Modifikation der von dem Hauptsteuermodus vorgegebenen Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden für eine über die reine Verlagerungsbewegung hinausgehende Homogenisierung der Intensitätsverteilung des linienartigen Ausgangsstrahls, insbesondere eine Verbesserung der Verlagerungsbewegung zur Erhöhung der Homogenität der Intensitätsverteilung des linienartigen Ausgangsstrahls. Die vom Hauptsteuermodus vorgegebenen Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden werden also in Richtung höherer Homogenität der Intensitätsverteilung des linienartigen Ausgangsstrahls weiter angepasst. Dies ist insbesondere bei Änderungen der Soll-Frequenz und/oder Soll-Amplitude von Relevanz, wie sie insbesondere bei zufälliger Variation von Soll-Frequenz und/oder Soll-Amplitude auftritt. Dazu können je nach Zusatzsteuermodus unterschiedliche Anpassungsstrategien bzw. Anpassungsschemata verwendet werden, wie später näher erläutert wird. Dabei ist es möglich, dass der Hauptsteuermodus und die Zusatzsteuermodi jeweils getrennt voneinander durch die Steuereinrichtung oder aber auch kombiniert als ein gemeinsamer Steuermodus ausgeführt werden. Insoweit ist es nicht notwendig, dass in physischer Hinsicht, etwa als Programmcode, exakt trennbare, unterschiedliche Steuermodi vorliegen, sondern vielmehr ist deren Funktionsweise entscheidend, wie sie hierin beschrieben wird.
Um einen besonders homogenen Intensitätsverlauf entlang der Linienrichtung zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn die Verlagerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array entlang der Linienrichtung hin- und her zu bewegen. Dann wird der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls ebenfalls entlang der Linienrichtung, also entlang der langen Achse, hin- und her bewegt. Vorzugsweise erfolgt eine hin- und her-Bewegung mit variierender, insbesondere zufällig variierender, Soll-Frequenz und/oder Soll-Amplitude.
Vorzugsweise ist die Verlagerungseinrichtung dazu ausgebildet, das zweite Linsen-Array relativ zu dem ersten Linsen-Array in einem wiederkehrenden Bewegungsmuster zu verlagern. Insbesondere sind die Zeitskalen der Veränderung so kurz im Vergleich zu den Prozesszeiten des Anwendungsgebiets der optischen Anordnung, dass effektiv eine räumlich homogene Intensität entlang der Linienrichtung wirksam ist. Wiederkehrend heißt insbesondere, dass eine Ausgangskonfiguration immer wieder eingenommen oder durchlaufen wird, in der Art einer Schwingbewegung. Diese Schwingbewegung kann grundsätzlich periodisch oder nicht-periodisch sein. Es ist denkbar, dass das zweite Linsen-Array um eine Referenzposition hin- und her bewegt wird. Vorzugsweise erfolgt eine wiederkehrende Bewegung aber nicht periodisch mit festgelegter Frequenz, sondern mit variierender, insbesondere zufällig variierender, Frequenz und/oder Amplitude, insbesondere chaotisch. Vorzugsweise liegen dominierende Frequenzbeiträge in einem Bereich von 50-150 Hz, insbesondere in einem Bereich von 75-125 Hz (dies bedeutet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere, dass das Fourierspektrum des Bewegungsmusters eine vergleichsweise hohe Amplitude bei den sogenannten dominierenden Frequenzbeträgen aufweist).
Vorzugsweise ist der zumindest eine Zusatzsteuermodus dazu eingerichtet, die Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden gemäß einem vorgegebenen Anpassungsschema des zumindest einen Zusatzsteuermodus anzupassen. Das bedeutet, dass die vorgegebenen Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden immer nach dem gleichen Schema angepasst werden können, was insoweit durch den jeweiligen Zusatzsteuermodus vorgegeben ist. Damit werden auf einfache Art und Weise bekannte Schema zur Erhöhung der Homogenität anhand der Anpassung der Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden umgesetzt.
Vorteilhafterweise ist ein erster Zusatzsteuermodus dazu eingerichtet, eine vom Hauptsteuermodus vorgegebene Änderung der Soll-Frequenz durch eine über der Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung durchzuführen. Anders als eine diskontinuierliche bzw. sprunghafte Umsetzung einer vom Hauptsteuermodus vorgegebenen und neuen Soll-Frequenz, die geringer oder höher als die aktuell vorgegebene Soll-Frequenz liegen kann, wird damit vermieden, dass der Aktuator hierfür eine besonders hohe Kraft erzeugen muss. Stattdessen kann die vom Aktuator bereitgestellte Kraft für die Verlagerungsbewegung kontinuierlich gesteigert oder gesenkt werden, um die jeweilige Änderung der Soll-Frequenz zu erreichen. Da hohe Kräfte, insbesondere Maximalkräfte, des Aktuators vermieden werden, die durch eine Systemanregung für eine verschlechterte Homogenität der Intensitätsverteilung sorgen können, kann die Homogenität durch diese Maßnahme erhöht werden. Das Anpassungsschema hinter dem ersten Nebensteuermodus ist somit, dass für Soll-Frequenzänderungen stets ein in zeitlicher Hinsicht kontinuierlicher Übergang zwischen der aktuellen Soll-Frequenz und der vorgegebenen Soll-Frequenz durchgeführt wird.
Dabei ist bevorzugt, dass die über der Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung durch eine Rampe der Änderung der Soll-Frequenz über einer vorgegebenen Zeitspanne vorgesehen ist. Damit ist im Verlauf der Frequenz des Aktuators über der Zeit zwischen der aktuellen Soll-Frequenz und der vorgegebenen Soll-Frequenz eine Rampe zwischen den beiden Frequenzen erkennbar, die für eine kontinuierliche Steigerung oder Senkung der Soll-Frequenz sorgt. Die Rampe kann insbesondere eine lineare Rampe sein bzw. die Gestalt einer Geraden in einem Verlauf der Soll-Frequenz über der Zeit annehmen.
Hierbei ist bevorzugt, dass die vorgegebene Zeitspanne mindestens eine Periodendauer der periodischen Verlagerungsbewegung beträgt. Es hat sich gezeigt, dass diese Mindestzeitspanne vorteilhaft in Bezug auf die Erhöhung der Homogenität des Intensitätsverlaufs des linienartigen Ausgangsstrahls bei Frequenzänderungen einerseits und in Bezug auf die verbleibende Zeit für die Verlagerungsbewegungen bei einer jeweils vorgegebenen Soll-Frequenz zwischen Soll-Frequenzänderungen andererseits ist.
Vorteilhaft ist ferner ein zweiter Zusatzsteuermodus dazu eingerichtet, eine vom Hauptsteuermodus vorgegebene Soll-Amplitude anhand einer Zuordnungsvorschrift derart anzupassen, dass der Aktuator eine angepasste Soll-Amplitude umsetzt, die eine Ist-Amplitude der Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays realisiert, welche näher an der vom Hauptsteuermodus vorgegebenen Soll-Amplitude ist, als sie es bei Umsetzung der vom Hauptsteuermodus vorgegebenen Soll-Amplitude wäre. Der zweite Zusatzsteuermodus beruht auf der Erkenntnis, dass der Aktuator insbesondere bei zunehmenden Frequenzen eine vorgegebene Soll-Amplitude ggf. nur mit nennenswerten Abweichungen als Ist-Amplitude umsetzen kann. Denn der Kraftbedarf des Aktuators steigt quadratisch mit der Frequenz. Durch die Zuordnungsvorschrift kann dieser Einschränkung über eine Kalibrierung nichtsdestotrotz Rechnung getragen werden. Die Zuordnungsvorschrift kann dabei beispielsweise durch Simulation und/oder Versuch ermittelt werden und beispielsweise in der Form einer oder mehrerer mathematischer Funktionen, Tabellen, Graphen oder dergleichen sein.
Die Zuordnungsvorschrift kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie Ist-Amplituden für unterschiedliche Soll-Frequenzen jeweils angepasste Soll-Amplituden zuordnet. Die vorgebbare Soll-Amplitude gemäß dem Hauptsteuermodus ist dabei die eigentliche Ist-Amplitude, die aber abhängig von der Soll-Frequenz ggf. nicht erreicht wird. Durch die Zuordnungsvorschrift wird nun eine angepasste Soll-Amplitude zugeordnet und verwendet, sodass die gewünschte Ist-Amplitude auch erreicht wird. Beispielsweise kann die Zuordnungsvorschrift eine Nachschlagtabelle sein, die für verschiedene Ist-Amplituden jeweiligen Soll-Frequenzen Soll-Amplituden zuordnet. Durch die Vorgabe der Soll-Amplitude gemäß der Zuordnungsvorschrift wird so sichergestellt, dass die gewünschte Ist-Amplitude zumindest näherungsweise erreicht wird.
Schließlich ist bevorzugt, dass ein dritter Zusatzsteuermodus dazu eingerichtet ist, eine vom Hauptsteuermodus vorgegebene Soll-Amplitudenänderung für einen Nulldurchgang der, insbesondere periodischen, Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays bzw. des damit bewegbar verbundenen Aktuators vorzugeben. Mit anderen Worten wird durch den dritten Zusatzsteuermodus die vorgegebene Soll-Amplitude zeitlich so getaktet bzw. ein Zeitpunkt vorgegeben, dass dieser in einem Nulldurchgang der Verlagerungsbewegung liegt und damit ein sanfter Übergang zwischen jeweils zwei vorgegebenen Soll-Amplituden durch den Aktuator gewährleistet werden kann. Statt also jeweils fest definierter Zeitspannen zwischen Soll-Amplitudenänderungen werden diese Zeitspannen insbesondere soweit verkürzt oder verlängert, bis der nächste Nulldurchgang erreicht wird. Dadurch kann eine hohe Kraftantwort beim Aktuator und damit einhergehende Belastung bei Soll-Amplitudenänderung vermieden werden, was wiederum für eine Inhomogenität des Intensitätsverlaufs des linienartigen Ausgangsstrahls sorgen kann.
Obgleich vorstehend drei Zusatzsteuermodi beschrieben worden sind, die mit erster, zweiter und dritter bezeichnet worden sind, kann jeder dieser Zusatzsteuermodi einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander verwendet bzw. in der Steuereinrichtung vorgesehen sein, um den Intensitätsverlauf des linienartigen Ausgangsstrahls zu homogenisieren. Besonders vorteilhaft ist dabei die Kombination mehrerer oder aller der Zusatzsteuermodi, um die bestmögliche Homogenisierung des Intensitätsverlaufs des linienartigen Ausgangsstrahls zu erzielen.
Vorzugsweise kann die Soll-Frequenz insbesondere in einem Frequenzbereich von 50-200 Hz, insbesondere 50-150 Hz, weiter insbesondere in einem Bereich von 75-125 Hz liegen. Dies hat sich als optimaler Bereich in Bezug auf die Homogenität des Intensitätsverlaufs des linienartigen Ausgangsstrahls und die erzielbare Dämpfung gezeigt.
Auch ist bevorzugt, dass eine vom Hauptsteuermodus vorgebbare Änderung der Soll-Frequenz einen Maximalwert von 25 Hz, insbesondere 20, ferner insbesondere 15 Hz und ganz besonders 10 Hz, nicht überschreitet. Derartige Änderungen bei der Verlagerungsbewegung haben sich als optimal in Bezug auf die Homogenität des linienartigen Ausgangsstrahls gezeigt.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Lasersystem nach Anspruch 13. Das Lasersystem ist zur Erzeugung eines linienartigen Ausgangslaserstrahl mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil aufweist, eingerichtet. Das Lasersystem wird von wenigstens einer Laserlichtquelle zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls gespeist und umfasst eine optische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls in den linienartigen Ausgangsstrahl. Die optische Anordnung ist derart angeordnet, dass der Eingangslaserstrahl von der Laserlichtquelle gespeist wird.
Die Laserlichtquelle kann insbesondere für den Multi-Moden-Betrieb geeignet oder dazu ausgelegt 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 sein. Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, sodass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist.
Dabei gelten Merkmale, die hierin in Bezug auf die optische Anordnung beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf das Lasersystem und umgekehrt.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 14. Das Verfahren ist zum Steuern einer Verlagerungseinrichtung an einem von zwei Linsen-Arrays in einer optischen Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, wobei die optische Anordnung aufweist: eine Umformoptik aufweisend eine Eingangsapertur durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur, wobei die Umformoptik derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten umgewandelt wird; eine Homogenisierungsoptik und wenigstens ein Transformationslinsenmittel, wobei die Homogenisierungsoptik, dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung zu durchmischen, und wobei das Transformationslinsenmittel derart ausgebildet ist, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem linienartigen Ausgangsstrahl überlagert werden, und wobei die Homogenisierungsoptik das erste Linsen-Array und das dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltete zweite Linsen-Array umfasst, sowie eine Verlagerungseinrichtung mit einem Aktuator und einer Steuereinrichtung, wobei das Verfahren den Schritt eines Steuerns der Verlagerungseinrichtung mittels der Steuereinrichtung gemäß einem Hauptsteuermodus zum Verlagern des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array aufweist, wobei beim Steuern durch den Hauptsteuermodus vorgegebene Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays zur Homogenisierung des linienartigen Ausgangsstrahls durch zumindest einen Zusatzsteuermodus angepasst werden.
Beim Verfahren kann durch einen ersten Zusatzsteuermodus eine vom Hauptsteuermodus vorgegebene Änderung der Soll-Frequenz durch eine über der Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann beim Verfahren durch einen zweitem Zusatzsteuermodus eine vom Hauptsteuermodus vorgegebene Soll-Amplitude anhand einer Zuordnungsvorschrift derart angepasst werden, dass der Aktuator eine angepasste Soll-Amplitude umsetzt, die eine Ist-Amplitude der Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays realisiert, welche näher an der vom Hauptsteuermodus vorgegebenen Soll-Amplitude ist, als sie es bei Umsetzung der vom Hauptsteuermodus vorgegebenen Soll-Amplitude wäre. Alternativ oder zusätzlich kann beim Verfahren durch einen dritten Zusatzsteuermodus eine vom Hauptsteuermodus vorgegebene Soll-Amplitude für einen Nulldurchgang der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays vorgegeben werden.
Dabei gelten Merkmale, die hierin in Bezug auf die optische Anordnung und das Lasersystem beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf das Verfahren und jeweils umgekehrt. Insbesondere kann das Verfahren zur Ausführung auf der hierin beschriebenen optischen Anordnung eingerichtet sein.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen:

1 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen;
2 Skizze zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik und des Transformationslinsenmittels;
3 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs an der Homogenisierungsoptik und dem Transformationslinsenmittel bei Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array;
4a einen Verlauf von Vorgaben einer Soll-Frequenz für den Aktuator durch die Steuereinrichtung über der Zeit im Rahmen des Hauptsteuermodus der Steuereinrichtung;
4b einen beispielhaften Durchlauf einer Operation im Rahmen des Hauptsteuermodus;
5 einen beispielhaften Verlauf einer Soll-Frequenz und einer Verlagerung über der Zeit;
6 ein Diagramm mit einem Verlauf der Soll-Amplitude über der Soll-Frequenz für eine beispielhafte Ist-Amplitude; und
7 Diagramme mit Verläufen einer Soll-Amplitude und einer Ist-Amplitude mit jeweiliger Verlagerung über der Zeit.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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 speist, optional über eine Vorformoptik (nicht dargestellt), einen Eingangslaserstrahl 18. Die Vorformoptik kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung in einen Eingangslaserstrahl 18 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen. Denkbar ist beispielsweise, dass die Laserstrahlung zunächst mittels Umlenkspiegeln und/oder Linsenmitteln in den Eingangslaserstrahl 18 umgeformt wird.
Das Lasersystem 10 umfasst ferner eine optische Anordnung 20, mittels welcher der Eingangslaserstrahl 18 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umwandelt wird.
Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in den Figuren ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel breitet sich der Eingangslaserstrahl 18 entlang der z-Richtung aus. Die durch die linienartige Ausdehnung des Ausgangsstrahls 12 definierte Achse verläuft entlang der x-Achse („lange Achse“). Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird als „kurze Achse“ (y-Achse) bezeichnet.
Für die Bearbeitung großer Flächen kann es erwünscht sein, ein sehr langgestrecktes, linienartiges Intensitätsprofil zu erzielen. Insofern ist es denkbar, mehrere Lasersysteme der genannten Art (10, 10') vorzusehen und derart anzuordnen, dass sich die Intensitätsverteilungen zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
Die optische Anordnung 20 umfasst mehrere optische Baugruppen, welche im Strahlengang einander nachgelagert sind. Wie in 1 vereinfacht dargestellt, wird der Eingangslaserstrahl 18 zunächst durch eine Umformoptik 22 geleitet, welche den Eingangslaserstrahl 18 in ein Strahlpaket 24 umformt. Das Strahlpaket 24 wird im Anschluss mittels einer Homogenisierungsoptik 26 durchmischt und in ein Zwischenstrahlpaket 28 umgewandelt. Das Zwischenstrahlpaket 28 passiert schließlich ein der Homogenisierungsoptik 26 nachgelagertes Transformationslinsenmittel 30, welches das Zwischenstrahlpaket 28 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umgewandelt, der entlang der Linienrichtung x eine weitgehend homogene Intensität aufweist.
Optional kann die optische Anordnung 20 zusätzlich eine dem Transformationslinsenmittel 30 im Strahlengang nachgeschaltete Kollimierungs-/Fokussierungsoptik 32 umfassen.
Die Umformoptik 22 weist eine Eingangsapertur 34, durch welche der Eingangslaserstrahl 18 eingekoppelt werden kann, und eine Ausgangsapertur 36, durch welche das Strahlpaket 24 austritt, auf. Die Umformoptik 22 wirkt dabei insbesondere derart, dass benachbarte Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls 18 beim Durchlaufen der Umformoptik 22 in Strahlsegmente des Strahlpakets 24 umsortiert werden.
Vorzugsweise ist die Umformoptik 22 derart ausgebildet, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls 18 mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur 34 das aus der Ausgangsapertur 36 austretende Strahlpaket 24 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Zu diesem Zweck kann die Umformoptik 22 beispielsweise derart ausgebildet sein, dass aus der Ausgangsapertur 40 austretende Strahlsegmente des Strahlpakets 24 unterschiedliche optische Weglängen in der Umformoptik 22 zurückgelegt haben. Insbesondere sind die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der Laserstrahlung.
2 stellt schematisch Aufbau und Funktionsweise der Homogenisierungsoptik 26 und des Transformationslinsenmittels 30 dar. Die Homogenisierungsoptik 26 umfasst ein erstes Linsen-Array 38 und ein dem ersten Linsen-Array 38 im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array 40. Wie in 2 beispielhaft dargestellt, weisen die Linsen-Arrays 38, 40 jeweils eine Vielzahl von Zylinderlinsen 42 auf, welche sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstrecken. Die jeweiligen Zylinderachsen verlaufen in dem dargestellten Beispiel orthogonal zur Zeichenebene, also orthogonal zur (lokalen) Ausbreitungsrichtung (z) und orthogonal zur (lokalen) Linienrichtung (x). Die Zylinderlinsen 42 sind geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket 24 durch eine Vielzahl der nebeneinander liegenden Zylinderlinsen 42 tritt.
Wie aus 2 ersichtlich, sind die Linsen-Arrays 38, 40 derart angeordnet, dass die Zylinderlinsen 42 das Strahlpaket 24 erfassen und verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets 24 miteinander durchmischen und überlagern. Die auf diese Weise durchmischten und überlagerten Strahlsegmente bilden ein Zwischenstrahlpaket 28, welches im weiteren Verlauf auf das der Homogenisierungsoptik 26 nachgeschaltete Transformationslinsenmittel 30 trifft.
Das Transformationslinsenmittel 30 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 zu dem linienartigen Ausgangsstrahl 12 zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene 14 die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Beispielhaft und bevorzugt ist das Transformationslinsenmittel 30 durch eine nicht abbildende Fourierlinse 44 gebildet. Die Fourierlinse 44 ist insbesondere derart angeordnet, dass die Arbeitsebene 14 in einer Fokusebene der Fourierlinse 44 verläuft (vgl. 2).
Insbesondere im Zusammenspiel mit der Umformoptik 22, welche wie vorstehend erläutert vorzugsweise die Kohärenz des Eingangslaserstrahls 18 weitgehend aufhebt, führt die Durchmischung und Überlagerung der Strahlsegmente des Strahlpakets 24 dazu, dass der Ausgangsstrahl 12 entlang der (lokalen) Linienrichtung x bereits vergleichsweise homogen ist. Dennoch können lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auftreten. Beispielsweise ist es denkbar, dass Interferenzeffekte zu periodischen Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf führen (vgl. in 3 mit Bezugszeichen 46 bezeichneter Ausschnitt). Ferner ist es möglich, dass lokale Verunreinigungen im Strahlengang (bspw. Partikel 48 auf Optikmitteln 50, welche der Fourierlinse 44 nachgelagert sind) zu einem Schattenwurf 52 führen, was zu einer lokalen Inhomogenität im Intensitätsverlauf führt.
Wie nachfolgend im Detail erläutert, können durch Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 die genannten Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden.
Zur Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 weist die optische Anordnung 20 eine Verlagerungseinrichtung 54 auf (in den 2 und 3 schematisch dargestellt). Die Verlagerungseinrichtung 54 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das zweite Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 hin- und her zu bewegen, insbesondere entlang der Linienrichtung x. Hierzu weist die Verlagerungseinrichtung 54 einen schematisch gezeigten Aktuator 56 auf, der von einer entsprechenden Steuereinrichtung 58 gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 58 gibt dazu dem Aktuator 56 Soll-Frequenzen und Soll-Amplituden vor.
Eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 bewirkt u.a. eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 und/oder eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets 28.
Eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 (mit anderen Worten eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung des Zwischenstrahlpakets 28) hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket 28 unter einem veränderten Winkel auf die der Homogenisierungsoptik 26 nachfolgende Fourierlinse 44 trifft. Eine solche Winkeländerung an der Fourierlinse 44 führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls 12 (in 3 links unten beispielhaft für eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays „nach unten“ mit Strichlinien dargestellt). Insofern kann durch hin- und her-Bewegen des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls 12 räumlich hin- und her verschoben werden. Auf diese Weise können Inhomogenitäten aufgrund von Interferenzeffekten im Mittel geglättet werden (in 3 links unten schematisch angedeutet).
Eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets 28 hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket 28 an einer veränderten Position auf die Fourierlinse 44 trifft. Eine solche Verschiebung des Zwischenstrahlpakets 28 führt u.a. dazu, dass bestimmte Bereiche der Fourierlinse 44 weniger Intensitätsbeiträge des Zwischenstrahlpakets 28 erhalten, wodurch die Lichtverteilung des Ausgangsstrahl 12 einen Vorzugswinkel bzw. eine Asymmetrie erhält (in 3 rechts unten beispielhaft für eine Verschiebung des Zwischenstrahlpakets 28 aus einer mittigen Referenzposition „nach oben“ skizziert). Insofern kann durch hin- und her Bewegen des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls 12 zeitabhängig verändert werden. Dies führt dazu, dass Verunreinigungen 48 (bspw. Staubpartikel) im Strahlengang nach der Fourierlinse 44 (bspw. auf einer nachfolgenden Optik 52) zeitabhängig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Ein durch eine solche Verunreinigung 48 erzeugter Schattenwurf 52 wird insofern ebenfalls zeitlich verändert, sodass im Mittel ein störender Einfluss des Schattenwurfs auf den Intensitätsverlauf geglättet werden kann.
Die 4a zeigt einen Verlauf von Vorgaben einer Soll-Frequenz f für den Aktuator 56 durch die Steuereinrichtung 58 über der Zeit t im Rahmen eines Hauptsteuermodus 60 der Steuereinrichtung 58. 4b zeigt schematisch einen Durchlauf einer Operation im Rahmen eines Hauptsteuermodus 60 der Steuereinrichtung 58.
In dem Hauptsteuermodus 60 wird beispielhaft ein Soll-Frequenzbereich von 100 bis 150 Hz angenommen. Außerdem werden Änderungen bzw. Sprünge der Soll-Frequenz f für den Aktuator 56 und damit das von ihm verlagerte zweite Linsen-Array 40 (siehe 2) in maximalen Sprungweiten bzw. Maximalwerten von Soll-Frequenzänderungen von vorliegend beispielhaft Δf = 10 Hz erlaubt.
Die Verlagerungsbewegungen des zweiten Linsen-Arrays 40 sind vorliegend periodische Bewegungen, bei der die Soll-Frequenzen f durch zufällige Variation gemäß der Operation in 4b als Teil des Hauptsteuermodus 60 dem Aktuator 56 zur Umsetzung vorgegeben werden. Hierzu wird eine Zufallszahl zwischen 0 und 1 generiert und mit dem Maximalwert einer Soll-Frequenzänderung multipliziert. Der sich daraus ergebende Frequenzwert wird zur vorherigen Soll-Frequenz f addiert und bildet die neue Soll-Frequenz f. Vor der Vorgabe an den Aktuator 56 wird noch geprüft, ob die neue Soll-Frequenz f im festgelegten Frequenzbereich liegt. Falls dem so ist, wird die neue Soll-Frequenz f dem Aktuator 56 vorgegeben, welcher diese umsetzt und das zweite Linsen-Array 40 entsprechend mit der neuen Soll-Frequenz f bzw. einer sich daraus tatsächlich ergebenden bzw. realen Ist-Frequenz schwingen lässt. Anderenfalls wird eine neue Zufallszahl zwischen 0 und 1 generiert und die Operation wiederholt.
Zur weiteren Verbesserung der Homogenisierung des Intensitätsverlaufs des linienartigen Ausgangsstrahls 12 werden gemäß der 5, 6 und 7 zusätzliche, von der Steuereinrichtung 58 ausführbare Zusatzsteuermodi 62, 64, 66 vorgeschlagen, durch die durch den Hauptsteuermodus 60 vorgegebene Soll-Frequenzänderungen oder vorgegebene Soll-Amplitudenänderungen angepasst werden, um den Intensitätsverlauf des linienartigen Ausgangsstrahl 12 weiter zu homogenisieren.
5 zeigt einen beispielhaften Verlauf einer Soll-Frequenz f und einer Verlagerung über der Zeit t. Dabei ist die Vorgabe der Soll-Frequenz f durch den Hauptsteuermodus 60 durch eine durchgezogene Linie im oberen der beiden Diagramme angegeben. Gemäß einem ersten Zusatzsteuermodus 62 wird die Vorgabe der Soll-Frequenz f jedoch im Bereich der Soll-Frequenzänderungen verändert. Und zwar wird hier eine über die Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung 63 (zur Veranschaulichung ist mit 63 dabei der Zeitbereich der Soll-Frequenzänderung bezeichnet) in Form einer Rampe vorgesehen, um den Aktuator 56 von der aktuellen bzw. zuvor vom Aktuator 56 umgesetzten Soll-Frequenz auf die gemäß der Operation von 4b neu vorgegebene Soll-Frequenz f zu bringen. Wie anhand des unteren Diagramms erkannt werden kann, ist eine Zeitspanne der Rampe dabei so vorgegeben, dass sie eine Periodendauer der periodischen Verlagerungsbewegung beträgt. Anders als eine diskontinuierliche bzw. sprunghafte Umsetzung der vom Hauptsteuermodus 60 vorgegebenen und neuen Soll-Frequenz, wird damit vermieden, dass der Aktuator 56 hierfür eine besonders hohe Kraft erzeugen muss. Stattdessen kann die vom Aktuator bereitgestellte Kraft für die Verlagerungsbewegung kontinuierlich gesteigert oder gesenkt werden, um die jeweilige Änderung der Soll-Frequenz zu erreichen. Da hohe Kräfte, insbesondere Maximalkräfte, des Aktuators 56 vermieden werden, die durch eine Systemanregung für eine verschlechterte Homogenität der Intensitätsverteilung sorgen können, kann die Homogenität durch diese Maßnahme erhöht werden.
6 zeigt ein Diagramm mit einem Verlauf der Soll-Amplitude über der Soll-Frequenz f für eine beispielhafte Ist-Amplitude von 60 um. Die in 6 abgebildete und beschriebene Funktion in Form der Gerade bzw. linearen Funktion dient dabei als Zuordnungsvorschrift 65 eines nicht näher abgebildeten zweiten Zusatzsteuermodus 64. Für eine Soll-Amplitude von 60 um seitens einer Vorgabe einer Soll-Frequenz f des Hauptsteuermodus 60 wird typischerweise eine Ist-Amplitude von 60 µm erwartet. Bei zu geringen oder zu hohen Frequenzen wird diese Ist-Amplitude aber nicht erreicht, wie anhand der 6 erkennbar ist. Durch den zweiten Steuermodus 64 wird nun gemäß der Zuordnungsvorschrift 65 eine Soll-Amplitude gewählt, die bei einer vorgegebenen Soll-Frequenz f sicherstellt, dass die gewünschte Ist-Amplitude durch den Aktuator 56 erreicht wird.
7 zeigt links Verläufe einer Soll-Amplitude mit jeweiliger Verlagerung über der Zeit t gemäß dem Hauptsteuermodus 60. Rechts sind Verläufe von Ist-Amplituden mit jeweiliger Verlagerung über der Zeit t nach Anpassung der Soll-Amplitudenvorgaben seitens der Steuereinrichtung 58 durch einen dritten Zusatzsteuermodus 66. Im Vergleich der beiden Verläufe der Verlagerungen über der Zeit t ist erkennbar, dass durch den dritten Zusatzsteuermodus 66 die vom Hauptsteuermodus 60 vorgegebenen Soll-Amplitudenänderungen auf einen Nulldurchgang der Verlagerung des Aktuators 56 bzw. des zweiten Linsen-Arrays 40 verschoben worden sind. Durch den dritten Zusatzsteuermodus 66 wurden die jeweils seitens des Hauptsteuermodus 60 vorgegebenen Soll-Amplituden(änderungen) also zeitlich so getaktet, dass diese jeweils in einem Nulldurchgang der Verlagerungsbewegung liegen und damit ein sanfter Übergang zwischen jeweils zwei vorgegebenen Soll-Amplituden durch den Aktuator 56 gewährleistet werden kann. Statt also jeweils fest definierter Zeitspannen zwischen Soll-Amplitudenänderungen, wie dies in den linken Verläufen der 7 der Fall ist, werden in den rechten Verläufen der 7 di Zeitspannen insbesondere soweit verkürzt oder verlängert, bis der nächste Nulldurchgang erreicht wird. Dadurch kann eine hohe Kraftantwort beim Aktuator 56 und damit einhergehende Belastung bei Soll-Amplitudenänderung vermieden werden, was ansonsten für eine Inhomogenität bei der Intensitätsverteilung des Ausgangsstrahls 12 sorgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020108647 A1 [0006]

Claims

Optische Anordnung (20) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12), welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene (14) einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, wobei die optische Anordnung (20) aufweist: - eine Umformoptik (22) aufweisend eine Eingangsapertur (34) durch welche der Eingangslaserstrahl (18) einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur (36), wobei die Umformoptik (22) derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur (34) eingestrahlte Eingangslaserstrahl (18) in ein durch die Ausgangsapertur (36) austretendes Strahlpaket (24) mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten umgewandelt wird; - eine Homogenisierungsoptik (26) und wenigstens ein Transformationslinsenmittel (30), wobei die Homogenisierungsoptik (26), dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets (24) entlang der Linienrichtung (x) zu durchmischen, und wobei das Transformationslinsenmittel (30) derart ausgebildet ist, dass die durchmischten Strahlsegmente (28) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl (12) überlagert werden, und wobei die Homogenisierungsoptik (26) ein erstes Linsen-Array (38) und ein dem ersten Linsen-Array (38) im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array (40) umfasst, sowie - eine Verlagerungseinrichtung (54) mit einem Aktuator (56), welcher gemäß einem Hauptsteuermodus (60) von einer Steuereinrichtung (58) der Verlagerungseinrichtung (54) zum Verlagern des zweiten Linsen-Arrays (40) relativ zu dem ersten Linsen-Array (38) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (58) zumindest einen Zusatzsteuermodus (62, 64, 66) aufweist, der zum zumindest teilweisen Anpassen von durch den Hauptsteuermodus (60) vorgebbaren Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays (40) zur Homogenisierung des linienartigen Ausgangsstrahls (12) eingerichtet ist.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 1, wobei der Hauptsteuermodus (60) dazu eingerichtet ist, die Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden durch zufällige Variation vorzugeben.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verlagerungseinrichtung (54) dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array (40) relativ zu dem ersten Linsen-Array (38) in einem wiederkehrenden, insbesondere periodisch wiederkehrenden oder nicht-periodisch wiederkehrenden, Bewegungsmuster zu verlagern.
Optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Zusatzsteuermodus (62, 64, 66) dazu eingerichtet ist, die Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden gemäß einem vorgegebenen Anpassungsschema des zumindest einen Zusatzsteuermodus (62, 64, 66) anzupassen.
Optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein erster Zusatzsteuermodus (62) dazu eingerichtet ist, eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Änderung der Soll-Frequenz durch eine über der Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung (63) durchzuführen.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 5, wobei die über der Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung (63) durch eine Rampe der Änderung der Soll-Frequenz über einer vorgegebenen Zeitspanne vorgesehen ist.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 6, wobei die vorgegebene Zeitspanne mindestens eine Periodendauer der periodischen Verlagerungsbewegung beträgt.
Optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Zusatzsteuermodus (64) dazu eingerichtet ist, eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Soll-Amplitude anhand einer Zuordnungsvorschrift (65) derart anzupassen, dass der Aktuator (56) eine angepasste Soll-Amplitude umsetzt, die eine Ist-Amplitude der Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays (40) realisiert, welche näher an der vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebenen Soll-Amplitude ist, als sie es bei Umsetzung der vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebenen Soll-Amplitude wäre.
Optische Anordnung (20) nach Anspruch 8, wobei die Zuordnungsvorschrift (65) derart ausgebildet ist, dass sie Ist-Amplituden für unterschiedliche Soll-Frequenzen jeweils angepasste Soll-Amplituden zuordnet.
Optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein dritter Zusatzsteuermodus (66) dazu eingerichtet ist, eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Soll-Amplitudenänderung für einen Nulldurchgang der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays (40) vorzugeben.
Optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die vom Hauptsteuermodus (60) vorgebbare Soll-Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich von 50 bis 200 Hz liegt.
Optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgebbare Änderung der Soll-Frequenz einen Maximalwert von 25 Hz nicht überschreitet.
Lasersystem (10) zur Erzeugung eines linienartigen Ausgangstrahls (12) mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil aufweist, umfassend: - wenigstens eine Laserlichtquelle (16) zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls (18); - eine optische Anordnung (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls (18) in den linienartigen Ausgangsstrahl (12).
Verfahren zum Steuern einer Verlagerungseinrichtung (54) an einem von zwei Linsen-Arrays (38, 40) in einer optischen Anordnung (20) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12), welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene (14) einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, wobei die optische Anordnung (20) aufweist: - eine Umformoptik (22) aufweisend eine Eingangsapertur (34) durch welche der Eingangslaserstrahl (18) einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur (36), wobei die Umformoptik (22) derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur (34) eingestrahlte Eingangslaserstrahl (18) in ein durch die Ausgangsapertur (36) austretendes Strahlpaket (24) mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten umgewandelt wird; - eine Homogenisierungsoptik (26) und wenigstens ein Transformationslinsenmittel (30), wobei die Homogenisierungsoptik (26), dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets (24) entlang der Linienrichtung (x) zu durchmischen, und wobei das Transformationslinsenmittel (30) derart ausgebildet ist, dass die durchmischten Strahlsegmente (28) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl (12) überlagert werden, und wobei die Homogenisierungsoptik (26) das erste Linsen-Array (38) und das dem ersten Linsen-Array (38) im Strahlengang nachgeschaltete zweite Linsen-Array (40) umfasst, sowie - eine Verlagerungseinrichtung (54) mit einem Aktuator (56) und einer Steuereinrichtung (58), wobei das Verfahren den Schritt eines Steuerns der Verlagerungseinrichtung (54) mittels der Steuereinrichtung (58) gemäß einem Hauptsteuermodus (60) zum Verlagern des zweiten Linsen-Arrays (40) relativ zu dem ersten Linsen-Array (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Steuern durch den Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Soll-Frequenzen und/oder Soll-Amplituden der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays (40) zur Homogenisierung des linienartigen Ausgangsstrahls (12) durch zumindest einen Zusatzsteuermodus (62, 64, 66) angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei - durch einen ersten Zusatzsteuermodus (62) eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Änderung der Soll-Frequenz durch eine über der Zeit kontinuierliche Soll-Frequenzänderung (63) durchgeführt wird, - durch einen zweiten Zusatzsteuermodus (64) eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Soll-Amplitude anhand einer Zuordnungsvorschrift (65) derart angepasst wird, dass der Aktuator (56) eine angepasste Soll-Amplitude umsetzt, die eine Ist-Amplitude der Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays (40) realisiert, welche näher an der vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebenen Soll-Amplitude ist, als sie es bei Umsetzung der vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebenen Soll-Amplitude wäre, und/oder - durch einen dritten Zusatzsteuermodus (66) eine vom Hauptsteuermodus (60) vorgegebene Soll-Amplitude für einen Nulldurchgang der Verlagerungsbewegung des zweiten Linsen-Arrays (40) vorgegeben wird.