DE19724060C2 - Verfahren zur Erzeugung eines homogenen, über den gesamten Strahlquerschnitt im wesentlichen konstante Energiedichte aufweisenden Laserstrahles sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines homogenen, über den gesamten Strahlquerschnitt im wesentli­ chen konstante Energiedichte aufweisenden Laserstrahles, bei welchem aus einem einfallenden Primärstrahl mehrere Teilstrahlen gewonnen werden, die zur Gewinnung des Ausgang­ strahles einander überlagert werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Laserstrahlen weisen aufgrund der Art ihrer physikalischen Entstehung häufig über ihren Querschnitt hinweg eine ungleichmäßige Energiedichteverteilung ("Energiedichtepro­ fil") auf. Am verbreitetsten sind Energiedichteprofile, die zumindest in einer Richtung die Form einer Gauss-Kurve aufweisen; die Energiedichte ist also in der Mitte des Strahles maximal, während sie zu den Strahlrändern hin abnimmt. Wird der den Laserstrahl erzeugende Laser in einer höheren Mode betrieben, weist der Laserstrahl eine entsprechende Mehrzahl von Maxima ("Höckern") des Energie­ dichteprofiles auf. Für viele Anwendungszwecke, insbeson­ dere dort, wo in einem hinter einer Maske liegenden Werkstück Material abgetragen werden soll, führt eine derartige inhomogene Energieverteilung innerhalb des Laserstrahles zu schlechten Ergebnissen. Daher wurden Vorrichtungen entwickelt, mit denen das Energiedichteprofil von Laserstrahlen so modifiziert werden kann, daß eine über den Querschnitt hinweg konstante Energiedichteverteilung entsteht. Derartige Vorrichtungen heißen in der Fachwelt "Homogenisierer".

Ein erster bekannter derartiger Homogenisierer arbeitet so, daß durch ein erstes Linsen-Array aus dem einfallen­ den Primärstrahl eine Vielzahl von Teilstrahlen gebildet wird, die jeweils auf in einer Ebene liegende Punkte fo­ kussiert werden. Diese Punkte werden durch ein zweites Linsen-Array und eine Fokussierlinse so auf eine Apertur geworfen, daß sich die einzelnen Teilstrahlen in dieser überlagern, wobei sie diese Apertur unter unterschiedlichen Winkeln durchtreten. Durch diese Überlagerung der aus verschiedenen Bereichen des einfallenden Primärstrahles stammenden Teilstrahlen wird in der Apertur ein Strahl erzielt, der ein im wesentlichen konstantes Energie­ dichteprofil aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Winkel, unter denen die einzelnen Teilstrahlen durch die Aperturöffnung hindurchtreten, gibt es jedoch nur eine Ebene, in welcher der gewünschte Homogenisierungseffekt auftritt. Dies sowie die verhältnismäßig große Divergenz des Ausgangsstrahles sind für viele Anwendungszwecke von Nachteil.

Bei einem zweiten, z. B. in der WO 95/18984 A1 beschrie­ benen bekannten Homogenisierer wird der einfallende Primärstrahl durch Prismen in Teilstrahlen unterteilt, die jeweils zur Achse hin gebrochen werden. Auf diese Weise entsteht in einer bestimmten Entfernung von den Prismen eine Ebene, in welcher sich die beiden Teilstrahlen überlappen und auf diese Weise dort einen Strahl mit einer bestimmten Homogenität des Energiedichteprofiles bilden. Erneut gibt es jedoch nur eine einzige Homogenitätsebene und erneut ist der Ausgangsstrahl verhältnismäßig stark divergent.

In der DE 43 41 553 C1 ist eine Vorrichtung zur Homogenisierung eines Laserstrahles beschrieben, die einen Strahl­ teiler und drei Umlenkspiegel aufweist. Der vom Strahltei­ ler reflektierte und von den Umlenkspiegeln umgelenkte Teilstrahl sowie der vom Strahlteiler transmittierte Teilstrahl werden zu einem Gesamtstrahl zusammengeführt, dessen Teilstrahlen einen Versatz aufweisen. Hierdurch soll die Homogenität des Gesamtstrahles verbessert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem bzw. welcher ein Ausgangsstrahl erzeugt werden kann, der gegenüber dem einfallenden Primärstrahl keine nennenswert veränderte Divergenz aufweist und der in allen Ebenen senkrecht zur Fortpflan­ zungsrichtung, also nicht nur in einer Homogenitätsebene, homogenes Energiedichteprofil aufweist.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß

• a) der einfallende Primärstrahl in einer Weise geteilt wird, daß ein modifizierter Primärstrahl und mindestens ein Sekundärstrahl entstehen;
• b) jeder abgeteilte Sekundärstrahl in seinem Energie­ dichteprofil so modelliert wird, daß die Summe der Energiedichteprofile der modellierten Sekundärstrah­ len zum Energiedichteprofil des modifizierten Primärstrahles zumindest annähernd komplementär ist, wobei die Kon- bzw. Divergenz jedes modellierten Sekundärstrahles mit derjenigen des Primärstrahles im wesentlichen übereinstimmt;
• c) die modellierten Sekundärstrahlen dem modifizierten Primärstrahl unter Gewinnung des Ausgangssignales koaxial überlagert werden.

Unter dem "einfallenden Primärstrahl" ist dabei derjenige Laserstrahl zu verstehen, der mit nicht konstanter Energie­ dichte zur Verfügung steht und der zu homogenisieren ist.

Der "modifizierte" Primärstrahl ist das, was von dem einfallenden Primärstrahl nach Abspaltung von mindestens einem Sekundärsttrahl noch übrig bleibt.

Der "modellierte" Sekundärstrahl ist derjenige Sekundär­ strahl, dessen Energiedichteprofil entsprechend dem Merkmal b) des Anspruches 1 modifiziert wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren fußt auf folgendem Prinzip:

Der einfallende Primärstrahl wird zunächst in einen modifi­ zierten Primärstrahl und einen abgeteilten Sekundärstrahl aufgeteilt. Der "modifizierte", im wesentlichen also in seiner Intensität verringerte, Primärstrahl wird unverän­ dert als Teil des Ausgangsstrahles verwendet. Der abge­ zweigte Sekundärstrahl dagegen wird "bearbeitet". Diese "Bearbeitung" besteht darin, daß ein oder mehrere "model­ lierte" Sekundärstrahlen entstehen. Diese modellierten Sekundärstrahlen zeichnen sich dadurch aus, daß ihre Kon- bzw. Divergenz zwar unverändert geblieben ist, daß jedoch ihre Energiedichteprofile einer bestimmten Bedingung genügen: Die Summe dieser Energiedichteprofile soll in dem Sinne zu dem Energiedichteprofil des modifizierten Primärstrahles "komplementär" sein, daß durch die Addition aller Energiedichteprofile der modellierten Sekundärstrah­ len und des modifizierten Primärstrahles ein homogenes Energiedichteprofil entsteht. Bei diesem Modellierungsvor­ gang können bestimmte Teilstrahlen innerhalb des abgeteilten Sekundärstrahles parallel zu sich an eine andere Stelle innerhalb des Sekundärstrahles verschoben werden oder unter Beibehaltung ihrer Position innerhalb des Sekundärstrahles in sich gespiegelt werden, derart, daß z. B. ein außenliegender Randstrahl nunmehr innenlie­ gender Randstrahl wird und umgekehrt.

Grob gesprochen läuft die "Modellierung" der Sekundärstrah­ len darauf hinaus, durch die Summe der modellierten Sekundärstrahlen ein solches Energieprofil zu erzeugen, das dort Minima aufweist, wo das Energieprofil des modi­ fizierten Primärstrahles Maxima aufweist und umgekehrt.

Bei der Modellierung des Sekundärstrahles kann mindestens eine Spiegelung verwandt werden. Eine einfache Spiegelung reicht insbesondere bei solchen Energiedichteprofilen des einfallenden Primärstrahles aus, welche "pultförmig" sind, also von einer Seite des Strahles zur anderen Strahl­ seite rampenförmig ansteigen. Bei dem modellierten Sekun­ därstrahl wird durch die Spiegelung ein Energiedichteprofil erzielt, welches in der umgekehrten Richtung rampenförmig ist, so daß durch Überlagerung des modellierten Sekundär­ strahles mit dem modifizierten Primärstrahl ein Ausgangs­ signal von im wesentlichen konstantem Energiedichteprofil entsteht.

Im allgemeinen ist das Energiedichteprofil des einfallen­ den Primärstrahles etwas komplizierter, wobei die eingangs schon erwähnte "Gauss-Form" besonders häufig anzutreffen ist. Dann reicht eine einfache Spiegelung zur Erzielung eines konstanten Energiedichteprofiles nicht mehr aus. In diesem Falle empfiehlt sich eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem der Sekundär­ strahl bei der Modellierung in eine Mehrzahl von Teil­ strahlen aufgeteilt wird, deren Positionen innerhalb des gesamten Sekundärstrahles in geeigneter Weise verändert werden und die dann zur Bildung des modellierten Sekundär­ strahles erneut zusammengeführt werden. So kann beispiels­ weise derjenige Teilstrahl, welcher im abgezweigten Sekun­ därstrahl die Anstiegsflanke zu einem mittleren Maximum des Energiedichteprofils darstellt, durch Parallelverschie­ bung oder Spiegelung im modellierten Sekundärstrahl zu einer Anstiegsflanke aus einem mittleren Minimum des Energiedichteprofiles umgewandelt werden; entsprechend wird aus einer Abstiegsflanke von einem mittleren Maximum im abgezweigten Sekundärstrahl eine Abstiegsflanke zu einem mittleren Minimum im Energieprofil des modellierten Sekundärstrahles.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft der Sekundärstrahl den Modellierungs­ vorgang zyklisch mehrfach, wobei nach jedem Durchlauf durch den Modellierungsvorgang ein Teil des so gewonnenen Sekundärstrahles als modellierter Sekundärstrahl ausge­ koppelt und ein anderer Teil erneut in den Modellierungs­ vorgang geschickt wird, derart, daß entsprechend der An­ zahl der durchlaufenen Modellierungsvorgänge eine Mehr­ zahl von modellierten Sekundärstrahlen unterschiedlicher Ordnung und abnehmender Amplitude erzeugt wird. Diese Art der Überlagerung einer Mehrzahl modellierter Sekundär­ strahlen mit dem modifizierten Primärstrahl erlaubt eine besonders gute Anpassung an unterschiedlichste Formen des Energiedichteprofils im einfallenden Primärstrahl.

Wie oben bereits angedeutet, kann eine Art der "Modellie­ rung" des Sekundärstrahles in einer "In-sich-Verschiebung" von Teilstrahlen bestehen. Diese kann zweckmäßigerweise so geschehen, daß die Teilstrahlen durch eine erste Spie­ gelung und/oder Brechung eine unterschiedliche Winkelorien­ tierung erhalten, die dann nach Durchlaufen einer gewissen Strecke durch eine zweite Spiegelung und/oder Brechung wieder rückgängig gemacht wird.

Besonders einfach ist diejenige Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, bei welcher die normierten Energiedichteprofile des modifizierten Primärstrahles und der abgezweigten Sekundärstrahlen mit dem normierten Energiedichteprofil des einfallenden Primärstrahles übereinstimmen. Unter einem "normierten" Energiedichtepro­ fil wird dabei ein Energiedichteprofil verstanden, welches auf jeweils gleiche maximale Energiedichte (z. B. den Wert "1") normiert ist. Das "normierte" Energiedichteprofil kennzeichnet somit qualitativ die Art der Energiedichte­ verteilung über den Stahl hinweg.

Die oben geschilderte Aufgabe wird, was die Vorrichtung anlangt, durch die im Anspruch 8 beschriebene Erfindung gelöst. Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ergeben sich sinngemäß aus den oben geschilderten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zweckmäßigerweise ist der Strahlteiler ein teildurchlässi­ ger Spiegel. Durch Einstellung des Transmissionsgrades dieses Spiegels, der vorteilhafterweise zwischen 25 und 40% liegt, ist es möglich, auf den Modellierungsvorgang Einfluß zu nehmen: Ist der Transmissionsgrad verhältnis­ mäßig hoch, so wird aus dem anfallenden Primärstrahl ein Sekundärstrahl verhältnismäßig geringer Energie ausge­ koppelt; mit sinkendem Transmissionsgrad sinkt entspre­ chend die Energie des modifizierten Primärstrahles und steigt die Energie im ausgekoppelten Sekundärstrahl. Verwendet man einen teildurchlässigen Spiegel der übli­ chen Bauart, bei welcher der Transmissiongrad räumlich konstant ist, stellt sich für den modifizierten Primär­ strahl ebenso wie für die abgezweigten Sekundärstrahlen dasselbe normierte Energiedichteprofil ein, wie es der einfallende Primärstrahl besitzt.

Auch die im Anspruch 8 genannte "Überlagerungseinrichtung" kann ein teildurchlässiger Spiegel sein.

Dabei empfiehlt sich aus Raumgründen eine solche Ausge­ staltung, bei welcher der Strahlteiler und die Überla­ gerungseinrichtung von demselben teildurchlässigen Spiegel gebildet sind, derart, daß nach jedem Durchlauf des Sekun­ därstrahles durch die Modellierungseinrichtung durch den Strahlteiler ein Teil des so gewonnenen Sekundärstrahles als modellierter Sekundärstrahl ausgekoppelt und ein anderer Teil erneut der Modellierungseinrichtung zugeführt wird. Der Transmissionsgrad des teildurchlässigen Spiegels bestimmt in diesem Falle nicht nur, wie bereits oben geschildert, das Verhältnis, in welchem die Energie des einfallenden Primärstrahles auf den abgezweigten Sekundär­ strahl und den modifizierten Primärstrahl aufgeteilt wird. Vielmehr steigt mit sinkendem Transmissionsgrad die Energie desjenigen Anteiles des Sekundärstrahles, welcher nach einem Durchlauf erneut der Modellierungseinrichtung zu einem weiteren Durchlauf zugeführt wird. Umgekehrt steigt mit sinkendem Transmissionsgrad des halbdurchlässigen Spiegels die Energie des nach jedem Umlauf durch die Model­ lierungseinrichtung ausgekoppelten und dem modifizierten Primärstrahl überlagerten modellierten Sekundärstrahls.

Die Modellierungseinrichtung kann in vorteilhafter Weise umfassen:

• a) eine Teil- und Ablenkeinrichtung, welche den Sekun­ därstrahl in mehrere Teilstrahlen aufteilt und die Teilstrahlen in unterschiedliche Richtungen ablenkt;
• b) eine Zusammenführeinrichtung, welche die aus unter­ schiedlichen Richtungen kommenden Teilstrahlen parallel macht und zu einem einheitlichen Strahl zusammenführt.

Diese Ausgestaltung der Vorrichtung entspricht derjenigen oben geschilderten Verfahrensart, bei welcher während der Modellierung des Sekundärstrahles in diesem enthaltene Teilstrahlen ihre Position verändern, beispielsweise durch Parallelverschiebung.

Zweckmäßigerweise umfaßt die Teil- und Ablenkeinrichtung und/oder die Zusammenführeinrichtung ein Prisma mit mindestens zwei unterschiedlich geneigten Flächensegmenten. Die oben erwähnte Ablenkung der Teilstrahlen in unter­ schiedliche Richtungen erfolgt bei diesem Ausführungsbei­ spiel also durch Brechung.

Alternativ ist diejenige Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung möglich, bei welcher die Teil- und Ablenkeinrichtung und/oder die Zusammenführeinrichtung mindestens zwei unterschiedlich geneigte Spiegelsegmente umfaßt. Hier erfolgt die unterschiedliche Richtungsablen­ kung der einzelnen Teilstrahlen durch Spiegelung.

Der Begriff der "Überlagerung" wie er obenstehend und auch nachfolgend verwendet wird, bedeutet nicht, daß sich die verschiedenen Strahlen "physikalisch" zu einem bestimm­ ten Zeitpunkt überlagern müßten. Vielmehr reicht es aus, wenn die Überlagerung auf dem Werkstück, über die Zeit­ dauer des Impulses des Ausgangsstrahles hinweg integriert, stattfindet. Da der Modellierungsvorgang des Sekundärstrah­ les eine gewisse Zeit benötigt, trifft der modifizierte Primärstrahl auf das Werkstück zunächst unverändert auf. Erst nach einer gewissen Zeit, die der bei dem Modellierungsvorgang durchlaufenen Wegstrecke entspricht, wird dem modifizierten Primärstrahl ein modellierter Sekundär­ strahl überlagert. Wenn umgekehrt der Impuls des modifi­ zierten Primärstrahles bereits beendet ist, folgt aufgrund der Laufzeit noch zumindest ein Teil eines modellierten Sekundärstrahles nach. Die Impulsform des Ausgangssignales unterscheidet sich somit von derjenigen des einfallenden Primärstrahles. Dies ist jedoch, wie bereits erwähnt, unschädlich, da es nur auf die räumliche Verteilung der integrierten, im Gesamtpuls enthaltenen Energie auf der Werkstückoberfläche, nicht auf die räumliche Verteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt, ankommt.

Der geschilderte "Laufzeiteffekt" kann vorteilhaft in solchen Fällen ausgenutzt werden, bei denen Laserstrahlen hoher Güte, insbesondere guter Kohärenz, homogenisiert werden sollen. Hier würde bei einer physikalischen Über­ lagerung der verschiedenen Strahlen zu einem bestimmten Zeitpunkt die Gefahr von Interferenzerscheinungen beste­ hen. In diesen Fällen empfiehlt sich eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Model­ lierungseinrichtung eine Einrichtung zur Verlängerung der Laufstrecke des die Modellierungseinrichtung durch­ laufenden Strahles umfaßt. Durch diese Einrichtung läßt sich die Zeit, welche der Sekundärstrahl zum Durchlaufen der Modellierungseinrichtung benötigt, so lange ausdehnen, daß der modellierte Sekundärstrahl die Modellierungsein­ richtung erst dann verläßt, wenn die Impulsdauer des modi­ fizierten Primärstrahles bereits beendet ist. Eine physi­ kalische "Überlagerung" von modifiziertem Primärstrahl und modelliertem Sekundärstrahl, welche mit der Gefahr von Interferenzen verbunden wäre, findet hier also über­ haupt nicht statt.

Geometrisch ist dabei diejenige Ausführungsform besonders günstig, bei welcher die Laufzeit-Verlängerungseinrichtung zwei zumindest annähernd parallele Spiegel umfaßt, in welche der Strahl unter schrägem Winkel derart eingestrahlt wird, daß er den Raum zwischen diesen Spiegeln unter Mehrfachreflexion von einem Ende zum anderen durchwandert. Auf engstem Raum können so erhebliche Laufstrecken für den Sekundärstrahl untergebracht werden.

Wenn der Abstand zwischen den beiden Spiegeln einstellbar ist, kann die zeitliche Verzögerung, welche der Sekundär­ strahl in der Modellierungseinrichtung erfährt, geändert und insbesondere auf die Impulsdauer des modifizierten Primärstrahles abgestimmt werden.

Das oben beschriebene Verfahren bzw. die oben beschriebene Vorrichtung eignen sich dazu, das Energiedichteprofil eines Laserstrahles in einer Richtung zu homogenisieren. Da viele Laserlichtquellen einen Laserstrahl erzeugen, der nur in einer Richtung ein nennenswert inhomogenes Energiedichteprofil aufweist, während er in der hierzu senkrechten Richtung bereits von Hause aus ein homogenes Energiedichteprofil besitzt, sind Verfahren und Vorrichtung, wie beschrieben, hierfür auch durchaus ausreichend und geeignet. Es gibt jedoch bestimmte Laserlichtquellen, bei denen in zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen jeweils ein inhomogenes Energiedichteprofil gegeben ist. Grundsätzlich wäre es möglich, das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung doppelt einzusetzen, und zwar für jede Richtung gesondert. Dies ist jedoch sehr aufwendig. Einfacher ist es, das beschrie­ bene Verfahren für diesen speziellen Fall so zu modifizie­ ren, wie dies in Anspruch 7 beschrieben ist, bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung so abzuwandeln, wie dies der Anspruch 18 beschreibt. Bei diesen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird von folgendem Grundgedanken aus­ gegangen:

In einem ersten Schritt wird das Energiedichteprofil des Laserstrahles in einer Richtung (beispielsweise in der Richtung, in welcher der Laserstrahl ein Gauss­ kurvenförmiges Energiedichteprofil aufweist) in der oben beschriebenen Weise modelliert. Allerdings ist das Ziel hier nicht ein Ausgangsstrahl mit einem in dieser Richtung wirklich homogenen Energiedichteprofil. Stattdessen wird ein "Zwischenstrahl" erzeugt, dessen Energiedichteprofil in der modellierten, ersten Richtung komplementär zu dem Energiedichteprofil in der zweiten, hierzu senkrecht stehenden und zunächst unbeeinflußten Richtung ist. Erneut wird unter "komplementär" verstanden, daß durch die Addition zweier komplementärer Energiedichte­ profile ein konstantes Energiedichteprofil entsteht. Nach diesem ersten "Schritt" weist der "Zwischenstrahl" genannte Laserstrahl also in den beiden zueinander senk­ recht stehenden Richtungen komplementäre Energiedichtepro­ file im oben genannten Sinne auf.

In einem zweiten Schritt wird der so erhaltene "Zwischen­ strahl" in zwei "Teil-Zwischenstrahlen" unterteilt. Einer dieser beiden Teil-Zwischenstrahlen wird gegenüber dem anderen - beispielsweise durch zwei geeignet gestellte Spiegel - um 90° verdreht. Werden nun sowohl der um 90° verdrehte als auch der nicht verdrehte Teil-Zwischenstrahl auf dieselbe Fläche abgebildet, so überlagern sich auf dieser in beiden Richtungen Energiedichteprofile, die komplementär zueinander sind. Die Folge ist, daß die fragliche Fläche insgesamt homogen "ausgeleuchtet" wird.

Eine spezielle Variante dieser Verfahrensweise und dieser Vorrichtungsart findet dort Verwendung, wo an einem Werkstück, das hinter einer ein Öffnungsmuster tragenden Maske angeordnet ist, mittels eines Lasers Material in einem entsprechenden Muster abgetragen werden soll. Derar­ tige Masken sind bekanntlicherweise an der der Laserlicht­ quelle zugewandten Fläche verspiegelt. Der Hauptteil des Laserlichtes, der das nur geringe Fläche aufweisende Öffnungsmuster in der Maske nicht durchtreten kann, wird von der spiegelnden Fläche der Maske auf eine Spiegelein­ richtung reflektiert und von dieser wieder auf die Maske zurückgeworfen. Es hat dann erneut die "Chance", das Öffnungsmuster der Maske zu durchtreten. Dies erhöht den energetischen Wirkungsgrad des Bearbeitungsvorganges. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Materialabtragung am Werk­ stück ist es dabei besonders wichtig, daß die Maske in allen Richtungen mit homogener Energiedichte "ausgeleuch­ tet" wird. Hierzu wird erfindungsgemäß der von der Laser­ lichtquelle stammende Laserstrahl zunächst in der geschil­ derten Weise mit einem "Homogenisierer" so modelliert, daß er in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen komplementäre Energiedichteprofile aufweist, und so auf die Maske abgebildet. Der von der Maskenoberfläche zurück­ reflektierte Anteil des Laserstrahls kann nun im obenge­ nannten Sinne als "Teil-Zwischenstrahl" verstanden werden, der bei der Reflexion in der Spiegeleinrichtung (beispiels­ weise durch zwei geeignet gestellte Spiegel) gleichzeitig die erforderliche Drehung um 90° erfährt. Wird dieser so um 90° gedrehte Strahl wieder auf die Maske abgebildet, so überlagert er sich hier in der bereits geschilderten Weise mit dem direkt aus dem "Homogenisierer" kommenden Laserstrahl. Das heißt, die Maske wird nunmehr in beiden Richtungen homogen ausgeleuchtet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1: schematisch eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Homogenisierers;

Fig. 2: schematisch den Strahlengang innerhalb des Homogenisierers von Fig. 1;

Fig. 3a bis 3c: Energiedichteverteilungen an unter­ schiedlichen Stellen des Strahlenganges von Fig. 2;

Fig. 4: schematisch den Strahlengang bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Homogenisierers;

Fig. 5: schematisch den Strahlengang bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Homogenisierers;

Fig. 6a und 6b: die Energiedichteverteilung an zwei unterschiedlichen Stellen des Strahlenganges von Fig. 5;

Fig. 7: schematisch den Strahlengang einer Vorrichtung zur Homogenisierung eines Laserstrahles, der in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtun­ gen ein inhomogenes Energiedichteprofil aufweist;

Fig. 8: schematisch eine Abwandlung der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung zur Verwendung bei der Bearbeitung eines Werkstückes durch eine ein Öffnungsmuster tragende Maske hindurch.

Fig. 1 ist die perspektivische Darstellung einer Vorrich­ tung zur Erzeugung eines im wesentlichen homogenen, das heißt über den gesamten Strahlquerschnitt im wesent­ lichen konstante Energiedichte aufweisenden Laserstrahles, die kurz "Homogenisierer" genannt wird. Sie umfaßt als Hauptbestandteile einen im wesentlichen dreieckigen Rahmen 1 mit zwei Schenkeln 1a und 1b sowie einer Basis 1c. An den von dem Rahmen 1 gebildeten Ecken sind Plan­ spiegel 2, 3, 4 angeordnet, die von Justiereinrichtungen 5, 6, 7 gehalten werden. Mit Hilfe der Justiereinrichtungen 5, 6, 7 läßt sich die Position und Orientierung der Spiegelflächen der Spiegel 2, 3, 4 in einer Weise ein­ stellen, wie dies weiter unten deutlich wird.

In der Mitte der Basis 1c des Rahmens 1 ist an einem in seiner Winkelstellung einstellbaren Halter 8 ein Strahl­ teiler 9 befestigt. Der Strahlteiler 9 besitzt die Gestalt eines halbdurchlässigen Spiegels, der in noch genauer zu beschreibender Weise unter einem Winkel von 45° gegen die Achse des zu homogenisierenden, einfallenden Laser­ strahles ("Primärstrahl") angestellt ist.

Zwischen dem Strahlteiler 9 und den benachbarten Spiegeln 2, 4 befinden sich auf der Basis 1c des Rahmens 1 außerdem Halter 10, 11 für Prismen 12, 13, deren Basis jeweils senkrecht auf der Basis 1c des Rahmens 1 steht und deren Scheitellinie jeweils nach links zeigt und horizontal verläuft.

Der Strahlengang des in Fig. 1 perspektivisch dargestell­ ten Homogenisierers ist in Fig. 2 schematisch herausge­ zeichnet. In dieser sind aus Fig. 1 wiederzuerkennen: die Planspiegel 2, 3 und 4, der Strahlteiler 9 und die Prismen 12, 13.

Die optische Achse des Primärstrahles durchstößt den Strahlteiler 9 an der mit einem X gekennzeichneten Stelle. Der unter 45° gegenüber der Zeichenebene angestellte Strahlteiler 9 läßt entsprechend seinem Transmissionsgrad einen bestimmten Prozentsatz des Primärstrahles unverändert durchtreten; dieser durchtretende Strahl wird hier "modifi­ zierter Primärstrahl" genannt. Durch die an dem Strahl­ teiler 9 stattfindende Teilreflexion wird außerdem ein Sekundärstrahl gebildet, der in der Zeichenebene im Sinne der in Fig. 2 gezeigten Pfeile in eine noch zu beschrei­ bende "Modelliereinrichtung" ausgespiegelt wird. Dieser Sekundärstrahl hat zunächst dasselbe normierte Energie­ dichteprofil wie der ursprünglich eingestrahlte und der modifizierte Primärstrahl. Dies bedeutet, daß sich die Energiedichteprofile der verschiedenen Strahlen durch Pressung oder Streckung in Ordinatenrichtung ineinander überführen lassen und in diesem Sinne ähnlich sind.

Der vom Strahlteiler 9 ausgespiegelte, in Fig. 2 darge­ stellte Sekundärstrahl umfaßt - zunächst nur gedanklich - zwei Teilstrahlen, nämlich einen in Figur unteren Teil­ strahl, dessen Randstrahlen mit c und b2 bezeichnet sind, und einen oberen Teilstrahl, dessen Randstrahlen mit b2 und a bezeichnet sind. Die in der Mitte des Sekundärstrahles liegenden Randstrahlen b1 und b2 fallen zunächst noch zusammen.

Der die beiden Teilstrahlen umfassende Sekundärstrahl durchtritt nun das Prisma 12, auf dessen Basis es in senkrechter Richtung auftritt. Das Prisma 12 teilt nunmehr auch physikalisch die bisher nur gedanklich vorhande­ nen Teilstrahlen in echte Teilstrahlen auf: der untere, von den Randstrahlen c und b2 begrenzte Teilstrahl durch­ tritt den in Fig. 2 unteren Schenkel des Prismas 12 und wird in Fig. 2 etwas nach oben abgelenkt, während der obere, von den Randstrahlen b1 und a begrenzte Teilstrahl den in Fig. 2 oberen Schenkel des Prismas 12 durchtritt und von diesem etwas nach unten abgelenkt wird. Die beiden Teilstrahlen des Sekundärstrahles sind also nach dem Durchtritt durch das Prisma 12 nicht mehr parallel sondern konvergieren aufeinander zu. Sie werden von den drei Planspiegeln 2, 3, 4 in der in Fig. 2 darge­ stellten Weise reflektiert und treffen von der in Fig. 2 rechten Seite her auf die Basis des zweiten Prismas 13. Bei dem Durchtritt durch die Schenkel des Prismas 13 werden die Teilstrahlen wiederum parallel; die beiden Teilstrahlen legen sich dabei mit ihren inneren Randstrah­ len wieder aneinander an. Der so "behandelte" Sekundär­ strahl trifft auf die Rückseite des Strahlteilers 9 und wird von diesem teilweise in der Zeichenebene senkrecht nach unten gespiegelt. Dieser ausgekoppelte Strahl wird hier "modellierter Sekundärstrahl" genannt. Er überlagert sich dem modifizierten Primärstrahl koaxial. Ein durch den Transmissionsgrad des Strahlteilers 9 bestimmter Anteil des "behandelten" Sekundärstrahls wird erneut im Sinne der Pfeile in die Modelliereinrichtung zum ersten Prisma 12 geführt. Auf diese Weise durchläuft der Sekun­ därstrahl den über die Spiegel 2, 3, 4 führenden Kreisweg in einer Vielzahl von Umläufen. Bei jedem Umlauf wird ein modellierter Sekundärstrahl ausgekoppelt. Ein modellierter Sekundärstrahl der nach n Umläufen ausgekoppelt wird, heißt hier "modellierter Sekundärstrahl n-ter Ordnung". Je höher die Ordnung, umso geringer ist die Amplitude des entsprechenden Strahles entsprechend dem Transmissionsgrad des Strahlteilers 9.

Hinter dem Strahlteiler 9 überlagert sich die Vielzahl von Sekundärstrahlen unterschiedlicher Ordnung koaxial mit dem modifizierten Primärstrahl, wodurch der gewünschte Ausgangsstrahl entsteht.

Um genauer verfolgen zu können, was im einzelnen mit dem Sekundärstrahl bei einem Umlauf durch die Modellier­ einrichtung über die Spiegel 2, 3, 4 geschieht, sind die Randstrahlen der beiden Teilstrahlen, welche zusammen den Sekundärstrahl bilden, in Fig. 2 unterschiedlich gezeich­ net: Die zunächst äußeren Randstrahlen a, c wurden in Fig. 2 als durchgezogene Linie, die zunächst mittleren Rand­ strahlen b1, b2 als gestrichelte Linien dargestellt. Es zeigt sich folgendes:

Der in Fig. 2 obere Spiegel 3 befindet sich in einer Ebene, in welcher sich die beiden Teilstrahlen deckungs­ gleich in einer Weise überlagern, daß die Randstrahlen a und b2 einerseits und die Randstrahlen c und b1 anderer­ seits aufeinandertreffen. Nach der erneuten Spiegelung am Spiegel 4 und dem Durchtritt durch das zweite Prisma 13 liegen die beiden Randstrahlen a und c, die zuvor äußere Randstrahlen waren, beide in der Mitte und fallen zusammen, während aus den mittleren Randstrahlen b1, b2 äußere Randstrahlen geworden sind. Der obere, von den Randstrahlen b1 und a begrenzte Teilstrahl ist nach wie vor der obere Teilstrahl, jedoch in sich gespiegelt (oberer und unterer Randstrahl haben ihre Position gewechselt). In ähnlicher Weise ist der zweite Teilstrahl, der von den Randstrahlen c und b2 begrenzt wird, nach dem Durchlauf durch die Vorrichtung von Fig. 2 nach wie vor der untere Teilstrahl. Die Randstrahlen c und b2 haben jedoch durch Spiegelung ihre Position gewechselt.

Was dies für das Energiedichteprofil in dem Sekundär­ strahl bedeutet, ist den Fig. 3a bis 3c zu entnehmen. Diese Figuren zeigen jeweils die Energiedichte gegen den Ort x aufgetragen, wobei die Abszisse x für Fig. 3a etwa in der Basis des Prismas 12, von unten nach oben verlaufend, die Abzisse x in Fig. 3b in der Ebene des Spiegels 3, von rechts nach links verlaufend, und die Abzisse x von Fig. 3c nach dem Durchtritt durch das Prisma 13, parallel zu dessen Basis von unten nach oben verlaufend zu denken ist.

Fig. 3a zeigt, wie oben bereits erläutert, das Energie­ dichteprofil des von dem Strahlteiler 9 ausgespiegelten Sekundärstrahles, welches dem Energiedichteprofil des einfallenden und modifizierten Primärstrahles im oben er­ läuterten Sinne "ähnlich" ist. An der Stelle des Spiegels 3 sind, wie Fig. 3b ausweist, die beiden Teilstrahlen so übereinander geschoben, daß sie dieselbe Fläche abdecken. In Fig. 3c schließlich ist das Energiedichteprofil nach einem Umlauf durch die Modelliereinrichtung von Fig. 2 gezeigt. Sie ergibt sich aus dem Energiedichteprofil von Fig. 3b jeweils durch Spiegelung der beiden Teilstrah­ len und durch entsprechendes Aneinandersetzen an deren Randstrahlen a, c. Wie Fig. 3c deutlich zeigt, ist das so erhaltene Energiedichteprofil des Sekundärstrahles nach einem Umlauf in gewissem Sinne "komplementär" zum Ausgangs-Energiedichteprofil, das in Fig. 3a zu sehen ist: Während letzteres im wesentlichen die Gestalt einer Gausskurve aufweist, bei welcher das Maximum etwa in der Mitte liegt, zeigt der "behandelte" Sekundärstrahl gemäß Fig. 3c maximale Energiedichten in den Randbereichen (b2 und b1), während im Mittelbereich (a, c) die Energiedichte ein ausgeprägtes Minimum besitzt. Es leuchtet anschaulich ein, daß durch Überlagerung von Strahlen, welche das Energiedichteprofil der Fig. 3a und 3c aufweist, ein Ausgangsstrahl erzeugt werden kann, dessen Energiedichte­ verteilung über den gesamten Querschnitt hinweg im wesent­ lichen konstant ist.

Dabei ist allerdings zu beachten, daß der resultieren­ de Laserstrahl tatsächlich - wie oben schon geschildert - nicht die Überlagerung des den Strahlteiler 9 direkt durchtretenden modifizierten Primärstrahles mit dem Sekundärstrahl nach dessen ersten Durchlauf ist. Vielmehr ist der Ausgangsstrahl, der den Homogenisierer in der Zeichenebene senkrecht nach unten verläßt, die Überla­ gerung einer Vielzahl von Sekundärstrahlen unterschiedli­ cher Ordnung mit dem den Strahlteiler 9 durchtretenden modifizierten Primärstrahl ist. Mit jedem Umlauf des Sekundärstrahles durch den Homogenisierer von Fig. 2 wechselt sein Energiedichteprofil zwischen den in den Fig. 3a und 3c dargestellten Verteilungen, jedoch mit stetig sinkender Amplitude. Das heißt also z. B., daß der Sekundärstrahl nach einem zweiten Durchlauf durch die Vorrichtung von Fig. 2 wieder das normierte Energiedichte­ profil der Fig. 3a aufweist, nach einem dritten Durchlauf das normierte Energiedichteprofil der Fig. 3c usw. Mit entsprechenden mathematischen Methoden läßt sich nachweisen, daß die geschilderte Gesamtüberlagerung zu dem gewünschten Effekt einer weitestgehenden Homogenisierung der Energie­ dichte im Ausgangsstrahl führt.

Der Primärstrahl liegt regelmäßig als Folge sehr kurzer Laserimpulse vor, deren zeitliche Dauer so gering ist, daß Laufzeiteffekte innerhalb des Homogenisierers durchaus eine Rolle spielen. Dies hat zur Folge, daß die Impulsform des den Homogenisierer austretenden Laserstrahles (Ausgangs­ strahles) gegenüber derjenigen des eintretenden Laserstrah­ les (Primärstrahles) verzerrt ist. Dies ist ohne weiteres einsichtig: Nach dem Auftreffen eines Laserimpulses auf den Strahlteiler 9 benötigt der Umlauf des ausgespiegelten Sekundärstrahles über die Spiegel 2, 3 und 4 eine gewisse Zeit. Der während dieser Zeit den Strahlteiler 9 in unveränderter Richtung durchtretende modifizierte Primär­ strahlimpuls bleibt zunächst unbeeinflußt. Erst allmäh­ lich baut sich der Impuls mit einer stationären Energie­ dichteverteilung auf. Dies ist jedoch für die hier ins Auge gefaßten Anwendungszwecke unschädlich, da diejenigen Sekundärstrahlanteile, die zu Beginn des austretenden Laserimpulses noch fehlen, am Ende dieses austretenden Laserimpulses wieder "angehängt" werden. Über die gesamte Dauer dieser Laserimpulses hinweg integriert ergibt sich dann jedenfalls auf dem Werkstück die gewünschte, räumlich homogene Energiedichteverteilung.

Der oben geschilderte Laufzeiteffekt innerhalb des Homo­ genisierers läßt sich mit Vorteil zur Lösung eines Prob­ lemes einsetzen, das sich insbesondere bei rotationssym­ metrischen Laserstrahlen mit hoher Strahlqualität stellt. Bei diesen geringe Divergenz und hohe Kohärenz aufweisen­ den Laserstrahlen können bei der Überlagerung des Primär­ strahles mit den verschiedenen Sekundärstrahlen unter­ schiedlicher Ordnung geringste Fehljustagen zu Interfe­ renzprobleme führen, welche die Bemühungen zur Homogeni­ sierung des Strahles zunichte machen würden. Um derartige physikalische, zu Interferenzen führende Überlagerungen zu vermeiden, wird die Wegstrecke, welche der Sekundär­ strahl innerhalb der Vorrichtung zurücklegt, so groß gemacht, daß der Impuls des Primärstrahles bereits beendet ist, bevor der abgezweigte Sekundärstrahl seinen ersten Durchlauf durch die Vorrichtung abgeschlossen hat. Zu keinem Zeitpunkt findet daher eine echte physikalische Überlagerung des den Strahlteiler 9 durchtretenden modi­ fizierten Primärstrahles mit dem Sekundärstrahl erster Ordnung oder zwischen Sekundärstrahlen unterschiedlicher Ordnung statt. Dies hat zwar zur Folge, daß aus dem ursprünglichen, sehr kurzen Impuls des Primärstrahles ein verhältnismäßig langer Impuls des Ausgangstrahles oder gar eine Folge verschiedener Impulse des Ausgangsstrah­ les wird. Erneut kommt es aber ausschließlich auf die über die Gesamtzeit des Ausgangstrahlimpulses hinweg integrierte Energiedichteverteilung auf dem Werkstück an, die dann in der gewünschten Weise homogen ist.

Die erforderliche Wegstrecke kann innerhalb der "Modellier­ einrichtung" raumsparend durch zwei parallele (nicht dargestellte Spiegel bereitgestellt werden. Der in Model­ lierung befindliche Sekundärstrahl wird an einer Seite zwischen diese Spiegel schräg eingestrahlt, durchwandert den Raum zwischen den beiden Spiegeln unter Mehrfachrefle­ xion und tritt an der anderen Seite der beiden Spiegel wieder unter schrägem Winkel aus. Durch Einstellen des Abstandes der beiden Spiegel und durch Einstellen des Einstrahlwinkels läßt sich die erzielte Laufzeitverzögerung an den jeweiligen Einzelfall anpassen.

Bei der obigen Beschreibung des ersten Ausführungsbei­ spieles des erfindungsgemäßen Homogenisierers anhand der Fig. 1 bis 3 wurde von der häufigsten Laserstrahl­ form ausgegangen, bei welcher das räumliche Energiedichte­ profil nur in einer Richtung demjenigen der Fig. 3a entspricht, in Richtung senkrecht hierzu jedoch weitgehend konstant ist. Dementsprechend weisen die Prismen in Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene auch konstanten Querschnitt auf. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den in Fig. 2 dargestellten Aufbau zur Homogenisierung rotations­ symmetrischer Laserstrahlen rotationssymmetrisch zu gestalten, insbesondere also kegelförmige Prismen anstatt der ebenen Prismen 12, 13 einzusetzen.

Fig. 4 zeigt den Strahlengang in einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel eines Homgenisierers, welches demjenigen der Fig. 1 und 2 sehr ähnlich ist. Entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugszeichen zzgl. 100 gekennzeichnet.

In Fig. 4 sind unverändert wiederzuerkennen: der Strahl­ teiler 109 sowie der am oberen Eck des Dreiecks, welches vom Rahmen aufgespannt wird, sitzende Spiegel 103. Die Prismen 12, 13 sind weggelassen. Statt dessen sind die in den unteren Ecken des Rahmendreiecks angeordneten Spiegel 102, 104 als sogenannte "Knickspiegel" ausge­ bildet. Unter einem "Knickspiegel" versteht man einen Spiegel, der in zwei unter einem Winkel aneinandergren­ zende Segmente aufgeteilt ist. Die Scheitellinie, in welcher die beiden Segmente aneinanderstoßen, stellt dabei diejenige Trennlinie dar, an welcher die beiden Teilstrahlen des vom Strahlteiler 109 erzeugten Sekundär­ strahles voneinander getrennt werden. Wie Fig. 4 dies­ bezüglich im einzelnen zu entnehmen ist, wird der obere, von den Randstrahlen b1 und a begrenzte Teilstrahl des Sekundärstrahles von dem oberen Segment 102a des Knick­ spiegels 102 etwas flacher nach oben auf den Planspiegel 103 reflektiert als der untere, auf das Segment 102b des Knickspiegels 102 auftretende Teilstrahl, der von den Randstrahlen c und b2 begrenzt wird. Die beiden Teilstrahlen konvergieren dabei so aufeinander zu, daß sie sich auf dem Spiegel 103 vollständig überlappen. Die Situation entspricht insoweit identisch derjenigen, die in Fig. 2 für das erste Ausführungsbeispiel dar­ gestellt ist. Da auch in Fig. 4 die "äußeren" Rand­ strahlen a und c des Sekundärstrahles mit durchgezogenen Linien und die "mittleren" Randstrahlen b1 und b2 ge­ strichelt dargestellt sind, läßt sich in Fig. 4 leicht verfolgen, wie der im ersten Umlauf modellierte Sekundär­ strahl aussieht: Der vom Planspiegel 103 her kommende obere Teilstrahl wird am oberen Segment 104a des Knick­ spiegels 104 so reflektiert, daß die Randstrahlen a und b1 wieder parallel und in ihrer ursprünglichen Richtung verlaufen. Allerdings haben die Randstrahlen b1 und a ihre Position getauscht. In entsprechender Weise wird der untere Teilstrahl, der vom Planspiegel 103 her kommt, am unteren Segment 104b des Knickspiegels 104 so reflektiert, daß seine Randstrahlen c und b2 in der ursprünglichen Richtung parallel verlaufen, jedoch ihre Position getauscht haben. Dies bedeutet, daß die in den Fig. 3a bis 3c geltenden Energiedichteprofile auch für das Ausführungs­ beispiel von Fig. 4 zutreffen. Auch die Überlagerung der verschiedenen, von dem Strahlteiler 109 in Ausgangsrichtung ausgespiegelten modellierten Sekundärstrahlen unterschied­ licher Ordnung mit dem modifizierten Primärstrahl geschieht in genau derselben Weise, wie dies oben für das Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 2 beschrieben wurde.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers ähnelt wiederum sehr stark demjenigen von Fig. 4; entsprechende Teile sind daher mit demsel­ en Bezugszeichen, erneut um 100 erhöht, gekennzeichnet. In Fig. 5 finden sich der Strahlteiler 209 und die Knickspiegel 202 und 204 unverändert wieder. Der (nicht dargestellte Rahmen) des Homogenisierers von Fig. 5 ist jedoch nicht drei- sondern viereckig. Entsprechend sind zusätzlich zu den beiden Knickspiegeln 202, 204 die sich an den unteren beiden Ecken des Rahmens befinden, an den oberen beiden Ecken des Rahmens zwei Plan­ spiegel 203a, 203b vorgesehen. Die Aufspaltung des Se­ kundärstrahles in zwei Teilstrahlen, von denen der (zu­ nächst) untere durch die Randstrahlen c und b2 und der (zunächst) obere durch die Randstrahlen b1 und a be­ grenzt wird, durch den Knickspiegel 202 geschieht völlig analog wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 4. Auch die Wiederherstellung der Parallelität der Randstrahlen der beiden Teilstrahlen durch den zweiten Knickspiegel 204 und ihre Ausrichtung in der ursprünglichen Richtung entspricht dem, was beim Ausführungsbeispiel von Fig. 4 durch den Knickspiegel 104 geleistet wird. Aufgrund der einmal häufiger stattfindenden Reflexion des Se­ kundärstrahles im Umlauf ergibt sich jedoch eine Ände­ rung des "modellierten" Sekundärstrahles nach einem Umlauf, die in Fig. 5 ohne weiteres verfolgt werden kann. Auch in dieser sind die zunächst äußeren Rand­ strahlen a und c als durchgezogene Linien und die zu­ nächst inneren Randstrahlen b1 und b2 der Teilstrahlen gestrichelt dargestellt. Fig. 5 zeigt, daß die Wirkung eines Umlaufes des Sekundärstrahles darin besteht, daß die Teilstrahlen - ohne zusätzliche Spiegelung in sich - einfach ihre Position tauschen. Das heißt, der zunächst untere, durch die Randstrahlen c und b2 begrenzte Teil­ strahl wird zum oberen Teilstrahl und der zunächst obere, durch die Randstrahlen b1 und a begrenzte Teilstrahl wird zum unteren Teilstrahl. Dieser Sachverhalt läßt sich auch aus den räumlichen Energiedichteprofilen ersehen, die in den Fig. 6a und Fig. 6b dargestellt sind. Fig. 6a zeigt das Energiedichteprofil des abgezeigten Sekundär­ strahles unmittelbar nach Verlassen des Strahlteiles 209; Fig. 6b zeigt die Energiedichteverteilung des Sekundär­ strahles nach einem Durchlauf unmittelbar vor Auftreffen auf die Rückseite des Strahlteilers 209.

Die Überlagerung der von dem Strahlteiler 209 nach einem oder mehreren Umläufen wieder in Ausgangsrichtung reflek­ tierten modellierten Sekundärstrahlen unterschiedlicher Ordnung mit dem Primärstrahl und ggf. untereinander erfolgt grundsätzlich wieder in derselben Weise, wie dies oben für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ausführ­ lich beschrieben wurde.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen hat sich ein Transmissionsvermögen des Strahlteilers 9, 109 bzw. 209 zwischen 25 und 40% als besonders geeignet herausgestellt.

Die oben beschriebenen Homogenisierer spalteten die Sekundärstrahlen, welche zwischen den verschiedenen Spiegeln "umlaufen", jeweils in zwei Teilstrahlen auf. Dies ist besonders für solche Primärstrahlen geeignet, welche das in Fig. 3a gezeigte Energiedichteprofil nach Art einer Gauss-Kurve aufweisen. Es gibt jedoch auch Energiedichteprofile beim Betrieb des Lasers in höheren Moden, die mehrere Maxima ählich dem in Fig. 3a gezeigten Maximum aufweisen ("mehrhöckriges" Profil). In diesem Falle können zur Aufteilung der Sekundärstrahlen in eine ent­ sprechend große Vielzahl von Teilstrahlen entsprechend vielsegmentige optische Elemente, also z. B. bei zweihöck­ rigen Energiedichteverteilungen Knickspiegel mit vier unterschiedlich angestellten Segmenten oder entsprechende Vielfach-Prismen, verwendet werden.

Die oben beschriebenen Homogenisierer sind nur in einer Richtung des Querschnittes des Laserstrahles wirksam. Wie bereits erwähnt, reicht dies in vielen Fällen aus, da sehr viele Laserlichtquellen einen Laserstrahl erzeugen, der nur in einer Richtung ein inhomogenes Energiedichte­ profil aufweist. Für bestimmte Laserlichtquellen trifft dies jedoch nicht zu: hier liegt in zwei senkrecht zuein­ ander stehenden Richtungen ein inhomogenes Energiedichte­ profil vor.

Fig. 7 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung, mit welcher auch in einem solchen Falle eine Fläche in beiden Richtungen homogen "ausgeleuchtet" werden kann.

Die Laserlichtquelle ist in Fig. 7 - anders als in den vorhergehenden Figuren - eigens dargestellt; sie trägt das Bezugszeichen 30. Der von ihr ausgehende Laser­ strahl 32 weist in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen (hier x- und y-Richtung genannt) Energiedichte­ profile auf, wie diese oberhalb des Laserstrahles 32 in die Fig. 7 eingezeichnet sind: In x-Richtung ist das Energiedichteprofil eine Gauss-Kurve, wie dies oben ebenfalls angenommen wurde; in der y-Richtung ist das Energiedichteprofil ausgehend von einem mittleren "Plateau" mit seitlich abfallenden Flanken versehen, derart, daß von oben her gesehen eine "konvexe" Kurve entsteht.

Der Laserstrahl 32 wird einem Homogenisierer 1 zuge­ führt, dessen Bauweise grundsätzlich mit einem der oben anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbei­ spiele übereinstimmen kann. Der Homogenisierer 1 wird so eingesetzt, daß er nur auf das Energiedichteprofil in x-Richtung Einfluß hat. Die "Modellierung" wird dabei aber bewußt nicht zur vollständigen Homogenität in x- Richtung geführt. Statt dessen wird von der Homogenisier­ einrichtung ein Laserstrahl 34 (hier "Zwischenstrahl" genannt) erzeugt, dessen Energiedichteprofil (oberhalb des Zwischenstrahles 34 dargestellt) in x-Richtung etwa komplementär zu dem (unverändert gebliebenen) Energiedich­ teprofil in y-Richtung ist. Das heißt, das Energiedichte­ profil in x-Richtung weist seitlich ansteigende Flanken auf, so daß es, von oben her gesehen, eine konkave Kurve ist.

Der so geformte Zwischenstrahl 34 wird einem Strahlteiler 40 zugeführt, der durch einen halbdurchlässigen Spiegel oder in jeder anderen gewünschten Weise realisiert sein kann. Der Strahlteiler 40 teilt den ihm zugeführten Zwischenstrahl 34 in zwei Teil-Zwischenstrahlen 36 und 38. Beide Teil-Zwischenstrahlen 36 und 38 weisen, wie oberhalb bzw. unterhalb dieser Strahlen angedeutet, qualitativ in beiden Richtungen dieselben Energiedichte­ profile auf wie der Laserstrahl 34, der dem Strahlteiler 40 zugeführt wurde. Einer der beiden Teil-Zwischenstrahlen, nämlich der in Fig. 7 obere Teil-Zwischenstrahl 36, wird einer Einrichtung 50 zugeführt, in welcher er um 90° verdreht wird. Mit anderen Worten: x- und y-Richtung werden in diesem Teil-Zwischenstrahl 36 vertauscht. Dies hat zur Folge, daß der Teil-Zwischenstrahl 36 nach dem Durchlaufen der Einrichtung 50 diejenigen Energiedichte­ profile aufweist, die rechts oberhalb des Teil-Zwischen­ strahles 36 angedeutet sind. Dieser Teil-Zwischenstrahl 36 wird dann durch einen Spiegel 55 auf eine Fläche F gelenkt, welcher vom (unverdrehten) in Fig. 7 unteren Teil-Zwischenstrahl 38 auf direktem Wege erreicht wird.

Auf der Fläche F überlagern sich somit Teil-Zwischen­ strahlen 36, 38, die sowohl in x- als auch y-Richtung komplementäre Energiedichteprofile aufweisen, so daß die Fläche F in beiden Richtungen homogen ausgeleuchtet wird.

Wie oben ebenfalls schon erwähnt wurde, ist die Homoge­ nisierung der Energiedichteprofile in Laserstrahlen beson­ ders dort wichtig, wo an einem Werkstück Material in einem bestimmten Muster abgetragen werden soll, welches durch eine vorgeschaltete Maske vorgegeben ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers, welches in diesem Falle eingesetzt werden kann und dessen Logik derjenigen des Ausführungsbeispieles von Fig. 7 sehr nahe verwandt ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Fig. 8 zeigt das mit Bezugszeichen 61 versehene, zu bearbei­ tende Werkstück hinter einer Maske 60, welche ein be­ stimmtes Öffnungsmuster (nicht dargestellt) trägt. Die nach oben zeigende Fläche der Maske 60 ist verspiegelt.

Mit 70 ist in Fig. 8 die optische Achse eines auf die Maske 60 unter einem bestimmten Einfallswinkel abgebil­ deten Lasterstrahles dargestellt, der von einem Homoge­ nisierer (in Fig. 8 nicht dargestellt) in derselben Weise "modelliert" wurde, wie der "Zwischenstrahl" 34 beim Ausführungsbeispiel von Fig. 7. Dies ist in den Energiedichteprofilen, die in Fig. 8 oberhalb des Laser­ strahles 70 eingezeichnet sind, angedeutet: die Energie­ dichteprofile in x- und y-Richtungen sind komplementär. Der auf die Maske 60 auftreffende Laserstrahl 70 tritt zu einem sehr geringen Anteil als Laserstrahl 72 durch die Maske 60 hindurch und wird auf dem Werkstück 61 wirksam. Ein sehr viel größerer Anteil des Laserstrahles 70 wird an der spiegelnden Oberfläche des Werkstückes 60 als Laserstrahl 74 reflektiert und trifft auf einen ersten Umlenkspiegel 62, der ihn als Strahl 76 auf einen zweiten Umlenkspiegel 63 wirft. Der zweite Umlenkspiegel 63 wiederum führt den Laserstrahl als Strahl 78 erneut auf die Maske 60 zurück. Durch eine entsprechende Anord­ nung der beiden Umlenkspiegel 62, 63 kann erreicht werden, daß der zur Maske 60 zurückkehrende Laserstrahl 78 gegen­ über dem einfallenden Laserstrahl 70 um 90° verdreht ist. Dies bedeutet, daß der Laserstrahl 78 beim Auftreffen auf die Maske 60 die Energiedichteprofile aufweist, die in Fig. 8 rechts neben der Maske 60 eingezeichnet sind: die Energiedichteprofile sind sowohl in x- als auch in y-Richtung komplementär zu den Energiedichtepro­ filen des Laserstrahles 70. Die Maske 60 wird daher ins­ gesamt in beiden Richtungen homogen ausgeleuchtet.

Der oben anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläuterte Homogenisierer arbeitet besonders gut, wenn das zu homoge­ nisierende Energiedichteprofil etwa symmetrisch ist. Ist dies im Einzelfall nicht gegeben, kann dem Homogeni­ sierer eine "Symmetrisierung" vorgeschaltet werden, in welcher zunächst ein symmetrisches Energiedichteprofil in der fraglichen Richtung, ähnlich einer Gauss-Kurve, herbeigeführt wird. Diese Symmetrisierung kann darin bestehen, daß der Laserstrahl geteilt wird, einer der beiden Teilstrahlen gespiegelt wird und sodann die beiden Teilstrahlen wieder überlagert werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Erzeugung eines homogenen, über den ge­ samten Strahlquerschnitt im wesentlichen konstante Energiedichte aufweisenden Laserstrahles, bei welchem aus einem einfallenden Primärstrahl mehrere Teilstrahlen gewonnen werden, die zur Gewinnung eines Ausgangsstrahles einander überlagert werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der einfallende Primärstrahl in einer Weise geteilt wird, daß ein modifizierter Primärstrahl und mindestens ein Sekundärstrahl entstehen;
• b) jeder abgeteilte Sekundärstrahl in seinem Energiedichte­ profil so modelliert wird, daß die Summe der Energie­ dichteprofile der modellierten Sekundärstrahlen zum Energiedichteprofil des modifizierten Primärstrahles zumindest annähernd komplementär ist, wobei die Kon- bzw. die Divergenz jedes modellierten Sekundärstrahles mit derjenigen des Primärstrahles im wesentlichen übereinstimmt;
• c) die modellierten Sekundärstrahlen dem modifizierten Primärstrahl unter Gewinnung des Ausgangssignales koaxial überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Modellierung des Sekundärstrahles mindestens eine Spiegelung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sekundärstrahl bei der Modellierung in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgegliedert wird, deren Positionen innerhalb des gesamten Sekundärstrahles in geeigneter Weise verändert werden und die dann zur Bildung eines modellierten Sekundärstrahles zusammengeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärstrahl den Modellierungsvorgang zyklisch mehrfach durchläuft, wobei nach jedem Durchlauf durch den Modellierungsvorgang ein Teil des so gewonnenen Sekundärstrahles als modellier­ ter Sekundärstrahl ausgekoppelt und ein anderer Teil erneut in den Modellierungsvorgang geschickt wird, derart, daß entsprechend der Anzahl der durchlaufenen Modellierungs­ vorgänge eine Mehrzahl von modellierten Sekundärstrahlen unterschiedlicher Ordnung und abnehmender Amplitude erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen bei der Modellierung durch eine erste Spiegelung und/oder Brechung eine unterschiedliche Winkelorientierung erhalten, die dann nach Durchlaufen einer gewissen Strecke durch eine zweite Spiegelung und/oder Brechung wieder rückgängig gemacht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die normierten Energie­ dichteprofile des modifizierten Primärstrahles und der Sekundärstrahlen mit dem normierten Energiedichteprofil des einfallenden Primärstrahles übereinstimmen.

7. Verfahren zur Erzeugung eines homogenen, über den ge­ samten Strahlquerschnitt im wesentlichen konstante Energiedichte aufweisenden Laserstrahles, bei welchem aus einem einfallenden Primärstrahl mehrere Teilstrahlen gewonnen werden, die zur Gewinnung eines Ausgangsstrahles einander überlagert werden, wobei der einfallende Primärstrahl in einer ersten Richtung ein erstes inhomogenes Energiedichteprofil und in einer zweiten, hierzu senkrechten Richtung ein zweites inhomo­ genes Energiedichteprofil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der einfallende Primärstrahl (32) zur Veränderung des Energiedichteprofils in der ersten Richtung wie folgt behandelt wird:
  • a) der einfallende Primärstrahl wird in einer Weise geteilt, daß ein modifizierter Primärstrahl und mindestens ein Sekundärstrahl entstehen.
  • b) jeder abgeteilte Sekundärstrahl wird in seinem Energiedichteprofil so modelliert, daß die Summe der Energiedichteprofile der modellierten Sekundär­ strahlen und des modifizierten Primärstrahls in der ersten Richtung zumindest annähernd komplementär zu dem Energiedichteprofil des Primärstrahles in der zweiten Richtung ist, wobei die Kon- bzw. Di­ vergenz jedes modellierten Sekundärstrahles mit derjenigen des Primärstrahles im wesentlichen übereinstimmt;
  • c) die modellierten Sekundärstrahlen werden dem modifizierten Primärstrahl unter Gewinnung eines Zwischenstrahles (34) koaxial derart überlagert, daß der Zwischenstrahl (34) in den beiden senkrecht aufeinander stehenden Richtungen zueinander komple­ mentäre Energiedichteprofile aufweist;
• b) der Zwischenstrahl (34) in einen ersten (36) und einen zweiten (38) Teil-Zwischenstrahl aufgeteilt wird;
• c) einer (36) der beiden Teil-Zwischenstrahlen (36, 38) gegenüber dem anderen (38) um 90° verdreht wird;
• d) die beiden Teil-Zwischenstrahlen (36, 38) auf einer Fläche (F) einander überlagert werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• a) einen Strahlteiler (9; 109; 209), der den einfal­ lenden Primärstrahl in einen modifizierten Primär­ strahl und mindestens einen Sekundärstrahl unter­ teilt;
• b) eine Modellierungseinrichtung (2, 3, 4, 12, 13; 102, 103, 104; 202, 203a, 203b, 204), welcher jeder abgeteil­ te Sekundärstrahl zugeführt wird und die diesen in seinem Energiedichteprofil so modelliert, daß die Summe der Energiedichteprofile der modellierten Sekundärstrah­ len zum Energiedichteprofil des modifizierten Primär­ strahles zumindest annähernd komplementär ist, wobei die Kon- bzw. die Divergenz jedes modellierten Sekun­ därstrahles mit derjenigen des Primärstrahles im wesentlichen übereinstimmt;
• c) eine Überlagerungseinrichtung (9; 109; 209), welche die modellierten Sekundärstrahlen dem modifizierten Primärstrahl koaxial überlagert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (9; 109; 209) ein teildurchlässi­ ger Spiegel ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Überlagerungseinrichtung (9; 109; 209) ein teildurchlässiger Spiegel ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler und die Überlagerungseinrichtung von demselben teildurchlässigen Spiegel (9; 109; 209) gebildet sind, derart, daß nach jedem Durchlauf des Sekun­ därstrahles durch die Modellierungseinrichtung (2, 3, 4, 12, 13; 102, 103, 104; 202, 203a, 203b, 204) durch den Strahlteiler (9; 109; 209) ein Teil des so gewonnenen Sekundärstrahles als modellierter Sekundärstrahl ausgekop­ pelt und ein anderer Teil erneut der Modellierungseinrich­ tung (2, 3, 4, 12, 13; 102, 103, 104; 202, 203a, 203b, 204) zugeführt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellierungseinrichtung umfaßt:

• a) eine Teil- und Ablenkeinrichtung (12; 102; 202), welche den Sekundärstrahl in mehrere Teilstrahlen aufteilt und diese Teilstrahlen in unterschiedliche Richtungen ablenkt;
• b) eine Zusammenführungseinrichtung (13; 104; 204), welche die aus unterschiedlichen Richtungen kommen­ den Teilstrahlen parallel macht und zu einem ein­ heitlichen Strahl zusammenführt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil- und Ablenkeinrichtung (12) und/oder die Zusammenführungseinrichtung (13) ein Prisma mit mindestens zwei unterschiedlich geneigten Flächensegmenten umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil- und Ablenkeinrichtung (102; 202) und/oder die Zusammenführungseinrichtung (104; 204) mindestens zwei unterschiedlich geneigte Spiegelsegmente (102a, 102b; 202a, 202b) umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellierungseinrichtung eine Einrichtung zur Verlängerung der Laufstrecke des die Model­ lierungseinrichtung durchlaufenden Strahles umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufstrecken-Verlängerungseinrichtung zwei annähernd parallele Spiegel umfaßt, in welche der Strahl unter schrägem Winkel derart eingestrahlt wird, daß er den Raum zwischen diesen Spiegeln unter Mehrfachreflexion von einem Ende zum anderen Ende durchwandert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Spiegeln einstell­ bar ist.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• a) einen Strahlteiler, der den einfallenden Primärstrahl (32) in einen modifizierten Primärstrahl und mindestens einen Sekundärstrahl unterteilt;
• b) eine Modellierungseinrichtung, welcher jeder abgeteilte Sekundärstrahl zugeführt wird und die diesen in seinem Energiedichteprofil so modelliert, daß die Summe der Energiedichteprofile der modellierten Sekundärstrahlen und des modifizierten Primärstrahles in der ersten Richtung zumindest annähernd komplementär zu dem Energiedichteprofil des Primärstrahles (32) in der zweiten Richtung ist, wobei die Kon- bzw. Divergenz jedes modellierten Sekundärstrahles mit derjenigen des Primärstrahles im wesentlichen übereinstimmt;
• c) eine Überlagerungseinrichtung, welche die modellier­ ten Sekundärstrahlen dem modifizierten Primärstrahl unter Gewinnung eines Zwischenstrahles (34) koaxial überlagert;
• d) einen Strahlteiler (40), welcher den Zwischenstrahl (34) in einen ersten Teil-Zwischenstrahl (36) und einen zweiten Teil-Zwischenstrahl (38) aufteilt;
• e) eine Einrichtung (50), welche den einen Teil-Zwischen­ strahl (36) gegenüber dem anderen Teil-Zwischenstrahl (38) um 90° verdreht;
• f) eine Einrichtung (55), welche die beiden Teil-Zwischen­ strahlen (36, 38) auf derselben Fläche (F) abbildet und dort überlagert.