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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen Ausgangsstrahl sowie ein Lasersystem umfassend eine Laserlichtquelle und eine solche optische Anordnung.
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Die betroffenen Lasersysteme dienen der Erzeugung einer insbesondere hochintensiven Strahlung mit einer Intensitätsverteilung, die einen insbesondere linienartig erstreckten Strahlquerschnitt aufweist. Ein solches Lasersystem wird beispielsweise in
DE 10 2018 115 126 B4 beschrieben.
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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, die kurze Achse und die Ausbreitungsrichtung ein orientiertes, rechtshändiges, kartesisches Koordinatensystem definieren.
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Die genannten linienartigen Strahlprofile werden beispielsweise eingesetzt, um Oberflächen von Gläsern oder Halbleitern zu bearbeiten (z.B. Tempering, Annealing). Hierbei wird das linienartige Strahlprofil im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse über die zu bearbeitende Oberfläche gescannt. Durch die Strahlung können z.B. Umkristallisationsprozesse, oberflächliche Schmelzungen, Diffusionsprozesse von Fremdmaterialien in das zu behandelnde Material oder sonstige Phasenumwandlungen im Bereich der Oberfläche ausgelöst werden. Derartige Bearbeitungsprozesse kommen z.B. bei der Herstellung von TFT-Displays, bei der Dotierung von Halbleitern, bei der Herstellung von Solarzellen, aber auch zur Herstellung ästhetisch ausgestalteter Glasoberflächen für Bauzwecke zum Einsatz.
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Für die Erzeugung des linienartigen Strahlprofils oder von Strahlprofilen mit anderer Geometrie werden typischerweise Multiapertur-Systeme eingesetzt, bei denen eine Aufteilung in Subaperturen und die optische Funktion in einem einzigen Element (bspw. einem Mikrolinsen-Array) stattfindet. Diese fixe Verknüpfung schränkt die Flexibilität solcher Elemente deutlich ein, da es z.B. nicht möglich ist, den Pitch, die numerische Apertur und die optische Funktion getrennt voneinander einzustellen. Ein weiteres Problem solcher Systeme ist die oftmals gleiche Weglänge innerhalb der Subaperturen, welche zu ungewollten Interferenzeffekten führen kann. Auch ist es stets gewünscht, die Homogenisierung des Strahlprofils noch weiter zu verbessern.
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Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte optische Anordnung für ein entsprechende Lasersystem bereitzustellen, die insbesondere flexibel ist und eine gute Homogenisierung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird demnach eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen Ausgangsstrahl, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene einen entlang einer ersten Richtung ausgedehnten und entlang einer senkrecht zu der ersten Richtung und zu der Ausbreitungsrichtung in einer zweiten Richtung erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik, durch welche ein Strahlpaket einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, unterschiedliche Strahlsegmente des Strahlpakets in einen entlang der zweiten Richtung ausgedehnten Zwischenstrahl mit Zwischenstrahl-Strahlsegmenten umzuformen. Die optische Anordnung umfasst ferner zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl in das Strahlpaket mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten zu segmentieren und auszustrahlen, und durch welche der Zwischenstrahl einstrahlbar ist, und wobei die Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik dazu ausgebildet ist, den in der zweiten Richtung ausgedehnten Zwischenstrahl durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente entlang der ersten Richtung in den in der ersten Richtung erstreckten Ausgangsstrahl umzuwandeln und auf die Arbeitsebene auszustrahlen.
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Die Arbeitsebene kann insbesondere senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert sein. Insbesondere können die erste Richtung und die zweite Richtung jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert sein.
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Der Ausgangsstrahl kann insbesondere ein linienartiger Ausgangsstrahl sein, welcher in der Arbeitsebene einen linienartigen, entlang der ersten Richtung ausgedehnten und entlang der zweiten Richtung erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Bei einem derartigen linienartigen Ausgangsstrahl kann die erste Richtung auch als Längsrichtung und die zweite Richtung auch als Breitenrichtung bezeichnet werden. Auch der Zwischenstrahl kann linienartig ausgedehnt sein, insbesondere entlang der zweiten Richtung linienartig ausgedehnt sein. Insbesondere wird demnach eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl vorgeschlagen, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung ausgedehnten und entlang einer senkrecht zu der Linienrichtung und zu der Ausbreitungsrichtung in einer Breitenrichtung erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik, durch welche ein Strahlpaket einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, unterschiedliche Strahlsegmente des Strahlpakets in einen entlang der Breitenrichtung linienartig ausgedehnten Zwischenstrahl mit Zwischenstrahl-Strahlsegmenten umzuformen. Die optische Anordnung umfasst ferner zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl in das Strahlpaket mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten zu segmentieren und auszustrahlen, und durch welche der linienartige Zwischenstrahl einstrahlbar ist, und wobei die Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik dazu ausgebildet ist, den in Breitenrichtung linienartig ausgedehnten Zwischenstrahl durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente entlang der Linienrichtung in den in Linienrichtung erstreckten linienartigen Ausgangsstrahl umzuwandeln und auf die Arbeitsebene auszustrahlen.
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Allerdings kann die optische Anordnung auch dazu genutzt werden oder eingerichtet sein, eine Homogenisierung eines Ausgangsstrahls unabhängig von seinem Strahlprofil in der Arbeitsebene zu erzeugen. Mit anderen Worten muss es sich um kein linienartiges Strahlprofil beim Ausgangsstrahl handeln. Alternativ kann beispielsweise auch ein quadratisches, rechteckiges oder sonstiges Strahlprofil des Ausgangsstrahls in der Arbeitsebene erzeugt werden.
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Die optische Anordnung ist damit eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahles in einen Ausgangsstrahl mit einem homogenisierten, insbesondere 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 einem insbesondere linienartigem Verlauf entlang einer Richtung aufweist, welche im vorliegenden Zusammenhang auch als Linienrichtung anstelle der ersten Richtung bezeichnet werden kann. Da der Strahl beim Durchlaufen der optischen Anordnung je nach Ausgestaltung einmal oder mehrfach umgelenkt werden kann, ist die Linienrichtung derart zu verstehen, dass der Strahlquerschnitt lokal entlang der Linienrichtung in die Länge gezogen ist.
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Durch die optische Anordnung wird damit der insbesondere elliptische Eingangslaserstrahl einerseits durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik in der zweiten Richtung entlang der zuvor erwähnten kurzen Achse segmentiert und andererseits durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik in der ersten Richtung entlang der zuvor erwähnten langen Achse umsortiert, also insbesondere in die längliche Erstreckungsrichtung des Eingangslaserstrahls zurücksortiert. Dabei können das Strahlpaket und der Zwischenstrahl jeweils homogenisiert werden, um einen in der zweiten Richtung und der ersten Richtung homogenisierten Ausgangsstrahl zu erhalten. Hierzu können eine oder mehrere Homogenisierungsoptiken im Strahlengang vom Eingangslaserstrahl zum Ausgangsstrahl vorgesehen sein, die zusätzlich zu der Umformoptik und den Segmentierungs- und/oder Umsortieroptiken vorgesehen sein können, oder aber bzgl. ihrer homogenisierenden Eigenschaften in den vorgenannten Optiken integriert sein können, beispielsweise in der Umformoptik bzw. von der Umformoptik bereitgestellt werden und/oder beispielsweise in der später erwähnte Fokussierungs- und/oder Kollimierungsoptik. So eine Homogenisierungsoptik kann also dazu ausgebildet sein, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets und/oder des Zwischenstrahls entlang der zweiten Richtung und/oder ersten Richtung zu überlagern und zu durchmischen, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich der jeweiligen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlquerschnitt beispielsweise länglich erstreckt. Dies erlaubt eine Homogenisierung des Ausgangsstrahls entlang der kurzen wie auch der langen Achse.
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Bei der vorgeschlagenen optischen Anordnung durchlaufen die einzelnen Strahlsegmente die gemeinsame Umformoptik und damit wird in Summe die gleiche Wirkung wie bei einem Mikrolinsenarray bereitgestellt. Der Vorteil bei dieser Trennung von Segmentierung durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik und optischer Wirkung durch die Umformoptik liegt in der Möglichkeit der getrennten Manipulation. Beispielsweise kann die Größe der Strahlpaket-Strahlsegmente (auch Pitch) kontinuierlich variiert werden. Einen weiteren Vorteil bietet die Strahlsegmentierung in dem Sinne, dass die einzelnen Strahlpaket-Strahlsegmente auf unterschiedlich langen Weglängen geführt werden können. Damit können die Kohärenzeigenschaften des Ausgangsstrahls beeinflusst werden (insbesondere für eine Single-Mode-Homogenisierung). Insbesondere können die einzelnen Strahlsegmente zueinander inkohärent umgeformt werden. Ein etwaiger periodischer Interferenzkontrast, wie bei einem Linsenarray, kann dann ausbleiben oder zumindest reduziert werden.
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Die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ist mit zumindest einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und zumindest einer Ausgangsapertur ausgestattet. Die zumindest eine Ausgangsapertur erstreckt sich insbesondere länglich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung. Insbesondere ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung erheblich größer als die Abmessung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung.
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Die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ist zumindest in Bezug auf ihre Segmentierungseigenschaften derart ausgebildet, dass der durch die zumindest eine Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die zumindest eine Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket umgewandelt wird. Insbesondere bildet das Strahlpaket in einer theoretischen Betrachtungsebene nach der zumindest einen Ausgangsapertur insgesamt bereits eine längliche Intensitätsverteilung, insbesondere bereits mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter. Das Strahlpaket umfasst eine Vielzahl von Strahlpaket-Strahlsegmenten, die sich insbesondere über die vorzugsweise längliche Ausgangsapertur verteilen und die zumindest eine Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig ausfüllen.
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Ein Strahlpaket bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Lichtverteilung, welche mathematisch durch ein Vektorfeld beschrieben werden kann, wobei jedem Raumpunkt lokal der Poynting-Vektor des zugehörigen elektromagnetischen Feldes zugeordnet ist.
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Die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ist zumindest in Bezug auf ihre Segmentierungseigenschaften insbesondere dazu ausgebildet, aus einem weitgehend kohärenten Eingangslaserstrahl ein Strahlpaket zu erzeugen, welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder sogar im Wesentlichen inkohärent ist.
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Die Eigenschaften des Ausgangsstrahls werden auch entscheidend durch die Ausgestaltung der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik beeinflusst. Die optischen Vorgänge in der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik sind komplex und haben insbesondere auch Einfluss auf die räumliche Kohärenz der Lichtverteilung, was wiederum entscheidend für die Ausbildung störender Interferenzartefakte ist.
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Vorzugsweise ist die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik zumindest in Bezug auf ihre Segmentierungseigenschaften 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 reduziert werden können.
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Die optische Anordnung kann ein der zuvor erwähnten zumindest einen Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachgeschaltetes Transformationslinsenmittel umfassen. Das Transformationslinsenmittel kann derart ausgebildet sein, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem Zwischenstrahl und/oder Ausgangsstrahl überlagert und homogenisiert werden. Insofern kann ein solches Transformationslinsenmittel insbesondere auch zur Homogenisierung beitragen. 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 ersten Richtung fokussiert werden. Das Transformationslinsenmittel kann dabei insbesondere dazu ausgebildet sein, die von der zumindest einen Homogenisierungsoptik durchmischten Strahlpaket-Strahlsegmente zu dem Zwischenstrahl oder Ausgangsstrahl zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene die homogenisierte Intensitätsverteilung mit dem gewünschten Strahlprofil einstellt. Zu diesem Zweck kann das Transformationslinsenmittel vorzugsweise als refraktive Fourieroptik ausgebildet bzw. als (insbesondere nicht abbildendend wirkende) Fourierlinse ausgebildet sein. Denkbar ist z.B. eine Ausgestaltung als Fresnel-Zonenplatte.
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Vorzugsweise weist die optische Anordnung eine Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik zum Kollimieren und/oder Fokussieren des Ausgangsstrahls auf einen auf der Arbeitsebene kollimierten und/oder fokussierten Ausgangsstrahl auf. Bei der Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik kann es sich beispielsweise um eine Zylinderlinse, eine sphärische Linse, einen Azylinder, eine Asphäre, ein Prisma, ein DOE, eine weitere Umsortieroptik oder dergleichen handeln oder sie kann zumindest eine der Vorgenannten umfassen.
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Auch ist bevorzugt, wenn die Umformoptik eine Zylinderlinse, ein Teleskop und/oder einen Strahltransformator aufweist. Beispielsweise kann durch ein Teleskop insgesamt eine kontinuierlich durchstimmbare numerische Apertur vorgehalten werden.
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Es ist möglich, dass die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik umfasst: eine Segmentierungsoptik, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl in das Strahlpaket mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten zu segmentieren und auszustrahlen, und eine Umsortieroptik, durch welche der, insbesondere linienartige, Zwischenstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den in der zweiten Richtung, insbesondere linienartig, ausgedehnten Zwischenstrahl durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente entlang der ersten Richtung, insbesondere Linienrichtung, in den in der ersten Richtung erstreckten, insbesondere linienartigen, Ausgangsstrahl umzuwandeln und auf die Arbeitsebene auszustrahlen. Mit anderen Worten sind zwei voneinander separate Optiken, nämlich eine Segmentierungsoptik und eine Umsortieroptik in der optischen Anordnung vorgesehen, welche wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind. Dabei ist die Umsortieroptik im Strahlengang insbesondere hinter der Segmentierungsoptik und der Umformoptik angeordnet. Dabei können die Segmentierungsoptik und die Umsortieroptik eine Optik gleichen Typs sein, sodass sich die Unterschiede zwischen diesen im Wesentlichen auf das voneinander unterschiedliche Segmentieren bzw. Umsortieren des Laserstrahls im Strahlengang bezieht, wozu diese entsprechend ausgebildet sind.
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Alternativ ist aber auch möglich, dass die optische Anordnung eine gemeinsame Segmentierungs- und Umsortieroptik umfasst. In diesem Falle können die Segmentierungs- und Umsortiereigenschaften in einer einzigen Optik verknüpft werden. Dazu kann die optische Anordnung ein Reflektionselement zum Reflektieren des linienartigen Zwischenstrahls auf die Segmentierungs- und Umsortieroptik umfassen. Bei einem solchen Reflektionselement kann es sich beispielsweise um einen Spiegel handeln. Der Spiegel kann im Strahlengang hinter der Segmentierungs- und Umsortieroptik und der Umformoptik angeordnet sein. Insbesondere kann der Spiegel für eine 180°-Umlenkung des Zwischenstrahls zurück auf die im Strahlengang davor angeordnete Segmentierungs- und Umsortieroptik angeordnet sein. Im weiteren Sinne kann es sich bei dem Reflektionselement auch um ein geeignet eingerichtetes Polarisationselement handeln, beispielsweise um eine Verzögerungsplatte, insbesondere ein λ/4-Plättchen. Durch das λ/4-Plättchen kann der eingehende Strahl von dem reflektierten Strahl getrennt werden. Das funktioniert durch Einsatz des λ/4-Plättchens über unterschiedliche Polarisationen. Ein λ/4-Plättchen vor dem Reflektionselement wandelt bei linear eingestrahlter Polarisation den Polarisationsgrad in zirkulare Polarisation, welche unter Reflektion gedreht wird und über das λ/4-Plättchen in eine zum Eingangslaserstrahl gedrehte lineare Polarisation umgewandelt wird. Damit eignet sich beispielsweise ein Polarisationsstrahlteiler zum Trennen der jeweiligen Strahlen. Vorteil des Vorsehens einer einzigen Segmentierungs- und Umsortieroptik ist die Kostenersparnis, da keine zweite Optik vorgesehen werden muss.
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Bei der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik kann es sich dabei insbesondere um einen monolithischen Strahltransformator handeln. Bei der Verwendung einer gemeinsamen Segmentierungs- und Umsortieroptik kann der monolithische Strahltransformator entsprechend unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsaperturen aufweisen, so z.B. eine Eingangsapertur für den Eingangslaserstrahl, eine Eingangsapertur für den Zwischenstrahl, eine Ausgangsapertur für das Strahlpaket und eine Ausgangsapertur für den Ausgangsstrahl. Bei voneinander separaten Segmentierungsoptik und Umsortieroptik können beispielsweise beides monolithische Strahltransformatoren sein. Alternativ ist aber auch möglich, dass unterschiedliche Arten von Optiken für die Segmentierungsoptik und die Umsortieroptik verwendet werden, wie sie nachstehend beispielhaft näher bezeichnet werden.
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Der monolithische Strahltransformator kann dabei aus einem plattenartigen, transparenten Material gebildet sein und eine Plattenvorderseite und eine im Wesentlichen parallel hierzu verlaufende Plattenrückseite aufweisen, wobei ein Bereich der Plattenvorderseite eine Eingangsapertur bereitstellt und ein Bereich der Plattenrückseite eine Ausgangsapertur bereitstellt.
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Bevorzugt kann auch sein, dass die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik dazu ausgebildet ist, dass die Strahlpaket-Strahlsegmente unterschiedliche Weglängen in der Segmentierungsoptik zurücklegen, und/oder, dass die Zwischenstrahl-Strahlsegmente unterschiedliche Weglängen in der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik zurücklegen. Wie zuvor erläutert können dadurch die Kohärenzeigenschaften des Ausgangsstrahls beeinflusst werden.
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Als Alternative zur oben erwähnten Ausführung der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik als monolithischer Strahltransformator kann es auch vorteilhaft sein, die zumindest eine Segmentierungs- und/oder die Umsortieroptik als Plattenstapel auszuführen. In gewissen Einsatzfällen kann auch der Einsatz eines Spiegelpakets aus mehreren Spiegeln mit Mehrfachreflektion für die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik vorteilhaft sein. Alternativ kann schließlich vorgesehen sein, dass die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ein Spiegelpaket aus mehreren scharfkantigen Spiegeln mit einfacher Reflektion ist.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Lasersystem nach Anspruch 12. Das Lasersystem ist zur Erzeugung von Strahlung mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlenquerschnitt ein homogenisiertes, insbesondere linienförmiges, Intensitätsprofil aufweist, eingerichtet. Das Lasersystem umfasst: eine Laserlichtquelle zur Abgabe von Laserstrahlen, und die erfindungsgemäße optische Anordnung, wobei die optische Anordnung derart angeordnet ist, dass der Eingangslaserstrahl durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik einstrahlbar ist.
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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.
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Dabei gelten Merkmale, die hierin in Bezug auf die optische Anordnung beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf das Lasersystem und umgekehrt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen;
- 2a Skizze zur Erläuterung der Wirkung der optischen Anordnung des Lasersystems von 1;
- 2b-2d Skizzen zur Erläuterung der Strahlveränderung durch die optische Anordnung;
- 3a eine vereinfachte Skizze der optischen Anordnung der 2a;
- 3b eine Abwandlung der optischen Anordnung der 2a in einer vereinfachten Skizze.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt in skizzierter Darstellung ein Lasersystem 10 zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls 44, welcher in einer Arbeitsebene 48 (siehe 2a) einen vorliegend beispielhaften linienartigen, entlang einer ersten Richtung bzw. Linienrichtung (y-Richtung, siehe 2) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Alternativ sind auch andere Strahlprofile des Ausgangsstrahls 44 auf der Arbeitsebene 48, wie beispielsweise quadratisch oder rechteckig möglich. Allein der Anschaulichkeit und Einfachheit halber beschränkt sich die nachstehende Beschreibung jedoch rein beispielhaft auf ein linienartiges Strahlprofil des Ausgangsstrahls 44.
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Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 14 zur Abgabe von Laserstrahlung 16. Die Laserlichtquelle 14 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet. Die Laserstrahlung 16 speist, optional über eine Vorformoptik 18, einen Eingangslaserstrahl 20. Die Vorformoptik 18 kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung in einen Eingangslaserstrahl 20 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen. Denkbar ist beispielsweise, dass die Laserstrahlung zunächst mittels Umlenkspiegeln 32 (siehe 2a) und/oder zumindest ein Linsenmittel 34 (siehe 2a) in den Eingangslaserstrahl 20 umgeformt wird.
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Das Lasersystem 10 umfasst ferner eine optische Anordnung 30, mittels welcher der Eingangslaserstrahl 20 in den linienartigen Ausgangsstrahl 44 umgewandelt wird.
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Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in der 2a ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel breitet sich der Eingangslaserstrahl 20 entlang der z-Richtung bzw. Ausbreitungsrichtung z aus. Die durch die linienartige Ausdehnung des Ausgangsstrahls 44 definierte Achse verläuft entlang einer langen Achse in der in 2a gezeigten y-Richtung bzw. Linienrichtung y. Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung y und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung z wird als kurze Achse entlang einer gezeigten x-Richtung bezeichnet.
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Für die Bearbeitung großer Flächen kann es erwünscht sein, ein sehr langgestrecktes, linienartiges Intensitätsprofil zu erzielen. Insofern ist es denkbar, mehrere Lasersysteme der genannten Art 10, 10' vorzusehen, wie es in der 1 gezeigt ist, und derart anzuordnen, dass sich die Intensitätsverteilungen zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
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Die optische Anordnung 30 umfasst mehrere optische Baugruppen, welche im Strahlengang vom Eingangslaserstrahl 20 zum Ausgangsstrahl 44 einander nachgelagert sind. Wie in 1 vereinfacht dargestellt ist, wird der Eingangslaserstrahl 20 zunächst durch die Eingangsapertur 21 einer Segmentierungsoptik 22 geleitet, welche den Eingangslaserstrahl 20 in ein Strahlpaket 40 mit unterschiedlichen Strahlsegmenten 41 segmentiert, wie 2b zeigt. Das Strahlpaket 40 tritt an einer in 2a nicht sichtbaren Ausgangsapertur auf der der Eingangsapertur 21 gegenüberliegenden Seite der Segmentierungsoptik 22 aus.
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Das Strahlpaket 40 mit den Strahlsegmenten 41 wird im Anschluss mittels einer im Strahlengang der Segmentierungsoptik 22 nachgelagerten Umformoptik 24 in einen linienartig ausgedehnten Zwischenstrahl 42 umgeformt und ausgestrahlt. Wie 2b erkennen lässt, werden dabei Zwischenstrahl-Strahlsegmente 43 des Zwischenstrahls 42 in der zweiten Richtung x - hier auch als Breitenrichtung x bezeichneten x-Richtung (bzw. entlang der kurzen Achse) - sortiert (die Breite in „Breitenrichtung“ bezieht sich auf die Strahlbreite des Ausgangsstrahls 44). Die Umformoptik 24 umfasst hierzu beispielhaft die gezeigte Zylinderlinse 25, kann alternativ oder zusätzlich aber auch weitere, nicht gezeigte optische Elemente, wie beispielsweise weitere Linsen, ein Teleskop und/oder einen Strahltransformator aufweisen. Insbesondere kann die Umformoptik 24 auch homogenisierend wirkend und hierzu ggf. auch zusätzliche Homogenisierungsmittel aufweisen.
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Der Zwischenstrahl 42 passiert schließlich eine der Umformoptik 24 nachgelagerte Umsortieroptik 26. Die Segmentierungsoptik 22 und die Umsortieroptik 26 umfassen dabei jeweils einen monolithischen Strahlentransformator 50. Die Umsortieroptik 26 sortiert die in der Breitenrichtung x sortierten Zwischenstrahl-Strahlsegmente 43 des Zwischenstrahls 42 zurück in die hierin auch als Linienrichtung y bezeichnete y-Richtung (bzw. entlang der langen Achse), wie die 2d zeigt (die Linie in „Linienrichtung“ bezieht sich dabei auf die Strahllinie bzw. Längserstreckung des Ausgangsstrahls 44).
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Schließlich ist hier optional eine im Strahlengang der Umsortieroptik 26 nachgeschaltete Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 28 vorgesehen. Durch die Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 28 erfolgt ein Kollimieren und/oder Fokussieren des Ausgangsstrahls 44 auf einen auf der Arbeitsebene 48 kollimierten und/oder fokussierten Ausgangsstrahl 46.
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3a zeigt die optische Anordnung 30 der 2a in einer alternativen und vereinfachten Skizze. Besonders gut sind hier die beiden spiegelnden Oberflächen und begrenzten Eingangs- und Ausgangsaperturen (nicht explizit bezeichnet) der Segmentierungsoptik 22 und der Umsortieroptik 26 zu erkennen, wobei diese beispielsweise jeweils als ein monolithisches Glas oder als zwei Spiegel ausgeführt sein können.
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3b zeigt demgegenüber eine Alternative zur optischen Anordnung 30 der 3a, in der nur eine gemeinsame Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 vorgesehen ist, die ihrerseits sowohl das Segmentieren des Eingangslaserstrahls 20 als auch das Umsortieren der Zwischenstrahl-Strahlsegmente 43 entlang der Linienrichtung y übernimmt.
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Hierzu ist in 3b ein beispielhaft als Spiegel 60 ausgeführtes Reflektionselement 60 im Strahlengang hinter der Umformoptik 24, vorliegend in Form einer Zylinderlinse 25, gezeigt, welcher den aus der Umformoptik 24 ausgestrahlten Zwischenstrahl 43 zurück auf die Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 segmentiert. Dabei können jeweils unterschiedliche Eingangsaperturen für den Eingangslaserstrahl 20 und für den Zwischenstrahl 42 sowie unterschiedliche Ausgangsaperturen für das Strahlpaket 40 und den Ausgangsstrahl 44 in der hier beispielhaft in Form eines einzigen monolithischen Strahltransformators 50 ausgebildeten Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 vorgesehen sein. Der Ausgangsstrahl 44 kann im Nachgang selbstverständlich noch durch die zuvor erwähnte und hier nicht gezeigte Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 28 (siehe 2a) kollimiert und/oder fokussiert werden. Vorteil des Vorsehens einer einzigen Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 ist die erzielbare hohe Kostenersparnis, da nicht zwei Optiken vorgehalten werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018115126 B4 [0002]
