DE19959862A1

DE19959862A1 - Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer

Info

Publication number: DE19959862A1
Application number: DE19959862A
Authority: DE
Inventors: Rainer Waser; Oliver Baldus; Wolfgang Krasser
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-13
Also published as: WO2001043243A3; WO2001043243A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer, mit: DOLLAR A - einer Erzeugungseinrichtung (10), die wenigstens einen Pulslaser (22) aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Laserstrahl (16) und einen von diesem räumlich getrennten zweiten Laserstrahl (18) erzeugt; DOLLAR A - einer Verschiebungseinrichtung (12), die derart ausgebildet ist, dass sie den zweiten Laserstrahl (18) zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl (16) verschiebt; und DOLLAR A - einer Zusammenführungseinrichtung (14), die derart ausgebildet ist, dass sie die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (16, 18) in einem Ausgangsstrahl (20) zusammenführt. DOLLAR A Dieses Lasersystem ist besonders zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten keramischen Schicht durch Laser-Annealing geeignet, wobei das Temperaturprofil in der keramischen Schicht durch Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls dieses Lasersystems eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer.

Ein derartiges Lasersystem ist in Gestalt eines Lasers mit Güteschaltung (auch als "Q-Switch-Laser" bezeichnet) bekannt. Durch die Güteschaltung wird die Emissi onsdauer des Lasers verkürzt, um die Spitzenleistung bei gegebener Pumpenergie zu erhöhen. Bei normalen Pulsbetrieb wird zum Beispiel bei Nd-YAG- Festkörperlasern ein Pumpimpuls von etwa 100 µs Dauer eingestrahlt. Bei genü gender Pumpleistung schwingt der Laser nach einigen µs an, und es entsteht wäh rend der gesamten restlichen Pumpdauer Laserstrahlung. Zur Erhöhung der Leis tung des Laserimpulses kann man den Laser erst dann anschwingen lassen, wenn während des Pumpprozesses die maximale Besetzungsinversion erreicht ist. Dies ist am Ende des Pumpimpulses der Fall, falls die Lebensdauer des oberen Niveaus größer als die Pumpdauer ist. Durch die Güteschaltung wird der Resonator erst während des Pumpens zugeschaltet, das heißt, dass zunächst der Strahlengang zwischen den Spiegeln unterbrochen wird oder die internen Verluste erhöht werden und dass erst am Ende des Pumpimpulses der Resonator freigegeben wird. Auf grund der dann bestehenden hohen Inversion entsteht ein kurzer Laserimpuls mit hoher Spitzenleistung.

Mit der Güteschaltung wird also im Vergleich zum normalen Pulsbetrieb die Puls dauer des Lasers verkürzt. Es können dabei Pulsdauern von wenigen ns und Spit zenleistungen im GW-Bereich erreicht werden.

Es ist außerdem bekannt, ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer aus einem cw-Laser und einem Modulator aufzubauen, der den kontinuierlichen Laserstrahl des cw-Lasers periodisch unterbricht. Als Modulator werden beispielsweise mecha nische Modulatoren, wie rotierende Schlitzscheiben (auch als "Chopper" bezeich net), und elektrooptische Modulatoren wie Pockels-Zellen oder Kerr-Zellen verwen det. Mit einem derartigen Lasersystem können Impulse erzeugt werden, deren Pulsdauer deutlich größer als diejenige der bekannten Pulslaser ist. Auf der anderen Seite ist jedoch die Spitzenleistung der Impulse durch die kontinuierliche Leistung des cw-Lasers begrenzt, wohingegen die bekannten Pulslaser deutlich höhere Spit zenleistungen liefern können.

Es gibt nun Anwendungsfälle, in denen zum einen eine hohe Spitzenleistung, wie sie nur von Pulslasern geliefert werden kann, benötigt wird, so dass Lasersysteme aus cw-Laser und Modulator nicht in Frage kommen, und in denen zum anderen auch Pulsdauern gewünscht werden, die größer als diejenigen der Pulslaser sind, so dass auch das oben erwähnte bekannte Lasersystem in Gestalt des Q-Switch- Lasers nicht in Frage kommt, da dessen Pulsdauer nach oben durch die Pulsdauer des im normalen Pulsbetrieb, das heißt ohne Güteschaltung betriebenen Pulslasers begrenzt ist.

Derartige Anwendungsfälle liegen beispielsweise auf dem Gebiet der Materialbear beitung. So wird bei der Erzeugung von Dünnschichten aus elektrokeramischem Material bevorzugt sichtbares oder ultraviolettes Licht mit hoher Leistung eingesetzt. Elektrokeramische Materialien eröffnen eine Fülle von Funktionen, die traditionelle Halbleitermaterialien wie Si oder GaAs nicht bieten können. Bei diesen Funktionen handelt es sich um ferroelektrische Polarisation, hohe Kapazitätsdichten, magneto resistive Eigenschaften, piezoelektrische Aktor- und Sensorfunktionen, Ionenleitung, Supraleitung, elektrooptische Aktivität, usw. Die Integration elektrokeramischer Ma terialien auf konventionellen integrierten Halbleiterschaltungen ist wünschenswert, da auf diesem Wege eine Kombination der elektrokeramischen Funktionen mit de nen der Mikroelektronik und Mikromechanik erzielt werden kann. Als Beispiel hierfür sind nicht-flüchtige, ferroelektrische Speicher (sogenannte Fe-RAM) vorstellbar, die auf der Integration ferroelektrischer Keramiken auf Si-CMOS-Schaltungen beruhen.

Die Erzeugung qualitativ hochwertiger, dichter Keramikschichten erfordert in der Regel Temperaturen oberhalb von 500°C. Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten erheblich ein, da zum einen Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren, und Schichten, die unter der Keramikschicht liegen, nur mit großem Aufwand vor einer Oxidation durch die erhöhte Sauerstoff-Diffusionsrate geschützt werden können, und da zum anderen diese tiefer liegenden Schichten und Bauelemente durch eine Diffusion von Fremdelementen aus der Keramikschicht degradiert werden können. Außerdem kann die übliche Aluminium-Metallisierung erst nach der Keramikschicht aufgebracht werden, da diese Metallisierung nur bis zu einer Temperatur von etwa 400°C stabil bleibt.

Aufgrund dieser Einschränkungen ist es bisher nicht möglich, bereits fertige integ rierte Schaltungen im Nachhinein um elektrokeramische Schichten mit den damit verbundenen neuen Funktionen zu ergänzen.

Die Laser-Annealing-Technik stellt einen Weg dar, die Temperaturbelastung des un ter der Keramikschicht liegenden Substrats, das im obigen Beispiel die integrierte Halbleiterschaltung ist, gering zu halten und auf einen kurzen Zeitraum zu be schränken. Gemäß dieser Technik wird ein beispielsweise punkt- oder strichförmig fokussierter Laserstrahl von ausreichender Leistung mit kontrollierter Vorschubge schwindigkeit über die "grüne" Keramikschicht bewegt (was auch als "Scanning" be zeichnet wird), um eine Kristallisation und Verdichtung der Keramikschicht zu errei chen.

Eine wichtige Randbedingung ergibt sich dabei aus dem Absorptionsspektrum der keramischen Dünnschichten, denn eine notwendige Voraussetzung für die Laser- Annealing-Technik ist die Absorption der Laserstrahlung in der elektrokeramischen Dünnschicht. Zahlreiche elektrokeramische Materialien, wie zum Beispiel Erdalkaliti tanate, absorbieren lediglich im fernen infraroten (FIR) und im ultravioletten (UV) Bereich, während sie im sichtbaren und nahen und mittleren infraroten (NIR bzw. MIR) Bereich vollständig transparent sind und daher mit Licht aus diesen Wellen längenbereichen nicht erwärmt werden können. Folglich müssen FIR- oder UV- Laser eingesetzt werden. FIR-Laser mit ausreichender Leistung stehen derzeit nicht zur Verfügung, und die Laserstrahlung der sehr leistungsstarken CO₂-Laser liegt im MIR- und NIR-Bereich und weist eine zu große Eindringtiefe auf. Daher wird bevor zugt die UV-Strahlung von Excimer-Lasern verwendet, deren Impulse eine ausrei chende Leistung liefern.

Die bisher kommerziell verfügbaren Excimer-Laser weisen jedoch extrem kurze Pulsdauern von maximal 60 ns und zudem niedrige Pulsfrequenzen von maximal 100 Hz auf, so dass der bestrahlte Oberflächenbereich der Keramikschicht nach ei nem Impuls nahezu vollständig abkühlt, bevor der nächste Impuls folgt. Dadurch ist eine kontinuierliche, durch die Vorschub- bzw. Scanning-Geschwindigkeit steuerba re Eindringtiefe des Temperaturfeldes in die Keramikschicht hinein nicht erreichbar. So sind für größere Waver von beispielsweise 6 Zoll Pulsfrequenzen deutlich ober halb von 1 kHz erforderlich.

Ähnliche Leistungen wie die Excimer-Laser bieten zwar auch frequenzverdoppelte Cu-Dampf-Laser und frequenzverdreifachte Nd:YAG-Laser, beide Lasertypen sind derzeit aber mit Pulsdauern oberhalb von 40 ns kommerziell nicht verfügbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer zur Verfügung zu stellen, das einen gepulsten Laserstrahl mit einer Pulsdauer erzeugen kann, die größer als die Pulsdauer des verwendeten Lasers ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer gelöst, mit:

- einer Erzeugungseinrichtung, die wenigstens einen Pulslaser aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Laserstrahl und einen von diesem räumlich getrennten zweiten Laserstrahl erzeugt;
- einer Verschiebungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie den zwei ten Laserstrahl zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl verschiebt; und
- einer Zusammenführungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen in einem Ausgangsstrahl zusam menführt.

Das Lasersystem gemäß der Erfindung weist also wie schon das zu Beginn erwähn te bekannte Lasersystem, das aus einem Q-Switch-Laser besteht, einen Pulslaser auf. Während jedoch bei dem bekannten Q-Switch-Laser die Steuerung der Puls dauer mit Hilfe der Güteschaltung erfolgt, so dass die maximal erzielbare Pulsdauer durch die Pulsdauer (im folgenden auch als "Normalpulsdauer" bezeichnet) des Pulslasers bei normalen Pulsbetrieb, das heißt, ohne dass eine Güteschaltung an gewendet wird, begrenzt ist, werden mit Hilfe der Zusammenführungseinrichtung die räumlich getrennten Laserstrahlen, die zeitlich gegeneinander verschoben sind, zu einem Ausgangsstrahl zusammengeführt, dessen Pulsdauer größer als die Normal pulsdauer des verwendeten Pulslasers ist.

Dieses Lasersystem ist folglich gut dafür geeignet, die im Zusammenhang mit dem beispielhaften Anwendungsfall der Erzeugung elektrokeramischer Dünnschichten diskutierte Forderung nach größeren Pulsdauern (wie zum Beispiel größer als 60 ns) bei unveränderter Normalpulsdauer, Pulsenergie und Wellenlänge des ver wendeten Pulslasers zu erfüllen. Wenn beispielsweise als Pulslaser der bisher schon für die Laser-Annealing-Technik verwendete Excimer-Laser mit einer Nor malpulsdauer von 60 ns verwendet wird, dann kann das Lasersystem im einfachs ten Falle zwei Laserstrahlen mit einer Pulsdauer von jeweils 60 ns erzeugen und den zweiten dieser beiden Laserstrahlen zeitlich um einen steuerbaren Betrag von beispielsweise 50 ns gegenüber dem ersten Laserstrahl verschieben, so dass nach dem Zusammenführen dieser beiden Laserstrahlen der von dem Lasersystem ab gegebene Ausgangsstrahl eine Pulsdauer von ungefähr 110 ns (= 60 ns + 50 ns) aufweist.

Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten keramischen Schicht durch Laser-Annealing ermöglicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Temperaturprofil in der keramischen Schicht durch Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls dieses Lasersystems eingestellt wird.

Die Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls erfolgt bei diesem Verfahren mit Hilfe der Verschiebungseinrichtung, indem die zeitliche Verschiebung zwischen den Laserstrahlen geändert wird: eine Vergrößerung der zeitlichen Verschiebung führt zu einer Vergrößerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls.

Die Steuerung der Pulsdauer ist mit einer Genauigkeit von einigen Nanosekunden oder weniger möglich und wird gemäß der Erfindung zur Regelung des Temperatur profils eingesetzt. Sie ermöglicht qualitativ höherwertige und gleichmäßigere Ergeb nisse, da Abweichungen von dem gewünschten Temperaturprofil genau und schnell korrigiert werden können.

Die Vergrößerung der Pulsdauer führt bei gleichbleibender Pulsenergie und Wellen länge zu einem flacheren Temperaturgradienten in der Keramikschicht und ermög licht eine homogenere und sozusagen schonendere Behandlung der Keramik schicht, eine höhere Vorschubgeschwindigkeit, eine niedrigere Flächenleistungs dichte und eine größere Kristallisationstiefe.

Bevorzugt ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass die Pulsdauer in Abhängigkeit von der Temperatur des bestrahlten Bereichs der Schicht geregelt wird. Die Tempe raturüberwachung kann dabei durch Messung der Reflexion des bestrahlten Be reichs der Schicht erfolgen.

Weitere Merkmale und Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß einer ersten Variante des Lasersystems ist vorgesehen, dass:

- die Erzeugungseinrichtung einen zweiten Pulslaser aufweist, wobei der erste Laser den ersten Laserstrahl und der zweite Laser den zweiten Laserstrahl aussendet; und
- die Verschiebungseinrichtung eine Zeitschaltuhr aufweist, die derart ausgebil det ist, dass zuerst der erste Laser und dann mit einer einstellbaren Verzöge rungszeit der zweite Laser gezündet wird.

Ein Vorteil dieser ersten Variante liegt darin, dass sich der zweite Pulslaser hinsicht lich der Wellenlänge des von ihm ausgesendeten zweiten Laserstrahles von dem ersten Pulslaser unterscheiden kann. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines anderen Lasermateriales oder bei baugleichen Lasern durch eine andere Ab stimmung erreicht werden. Der dann von dem Lasersystem abgegebene Ausgangs strahl weist folglich zwei Wellenlängenanteile auf, was beispielsweise bei den kom plexen Vorgängen, die bei der Laser-Annealing-Technik von elektrokeramischen Dünnschichten auftreten, gewünscht sein kann. Außerdem wird durch den zweiten Laser auch die Energie des Ausgangsstrahles im Vergleich zu einem Lasersystem, das mit nur einem Pulslaser arbeitet, erhöht.

Gemäß einer zweiten Variante des Lasersystems ist vorgesehen, dass:

- die Erzeugungseinrichtung einen Strahlteiler aufweist, der den von dem Laser ausgesendeten Laserstrahl in den ersten und den zweiten Laserstrahl aufteilt; und
- die Verschiebungseinrichtung eine einstellbare optische Verzögerungsstrecke für den zweiten Laserstrahl aufweist.

Bei dieser zweiten Variante liegt ein Vorteil darin, dass im Unterschied zu der ersten Variante lediglich ein Lasererforderlich ist, um die beiden Laserstrahlen zu erzeu gen.

Diese zweite Variante kann auch mit der ersten Variante kombiniert werden, um beispielsweise vier Laserstrahlen zu erzeugen, die zeitlich gegeneinander verscho ben sind und einen Ausgangsstrahl mit einer noch größeren Pulsdauer ermöglichen. Hierzu kann zu den beiden Lasern der ersten Variante jeweils eine Erzeugungsein richtung und eine Verschiebungseinrichtung gemäß der zweiten Variante vorgese hen sein.

Im Falle der zweiten Variante kann vorgesehen sein, dass die optische Verzöge rungsstrecke durch eine Spiegelanordnung gebildet wird, die einen Eingangsspiegel und einen Ausgangsspiegel aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl von dem Strahlteiler auf den Eingangsspiegel trifft und zu dem Aus gangsspiegel umgelenkt wird, der ihn zu der Zusammenführungseinrichtung um lenkt.

Da der zweite Laserstrahl den Umweg von dem Strahlteiler über den Eingangsspie gel und den Ausgangsspiegel bis zu der Zusammenführungseinrichtung zurückle gen muss, kommt er dort zu einem späteren Zeitpunkt an als der erste Laserstrahl, der nur den direkten Weg von dem Strahlteiler zu der Zusammenführungseinrich tung zurücklegen musste. Der zweite Laserstrahl ist somit zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl verschoben. Wenn die Lichtgeschwindigkeit mit c = 3.10⁸ m/s angenommen wird, führt folglich ein Umweg von 1 m zu einer Zeitverschiebung von 3,3 ns (= 1 m : 3.10⁸ m/s).

Dann kann weiter vorgesehen sein, dass die Spiegelanordnung wenigstens zwei Zwischenspiegel aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl von dem Eingangsspiegel über die Zwischenspiegel zu dem Ausgangsspiegel um gelenkt wird.

Mit den Zwischenspiegeln kann die Länge des Umweges, den der zweite Laser strahl zurücklegen muss, deutlich vergrößert werden, ohne dass auch der Platzbe darf der Spiegelanordnung entsprechend ansteigt.

Vorteilhafterweise ist dann vorgesehen, dass die Zwischenspiegel in zwei parallelen Reihen jeweils äquidistant derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl von dem Eingangsspiegel auf den ersten Zwischenspiegel in der ersten Reihe trifft und zu dem ersten Zwischenspiegel in der zweiten Reihe umgelenkt wird und nachein ander zwischen den Zwischenspiegeln der beiden Reihen hin- und herläuft, bis er von dem letzen Zwischenspiegel der ersten Reihe auf den letzen Zwischenspiegel der zweiten Reihe trifft und zu dem Ausgangsspiegel umgelenkt wird.

Mit dieser Anordnung der Zwischenspiegel wird ein besonders kompakter und re gelmäßiger Aufbau der Spiegelanordnung ermöglicht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zusammenführungseinrichtung einen teil durchlässigen Spiegel aufweist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Aufbau eines Lasersystems mit steuerbarer Pulsdauer in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Aufbau eines Lasersystems mit steuerbarer Pulsdauer in einer zweiten Ausführungsform, die eine optische Verzögerungsstrecke in einer ersten Ausführungsform aufweist;

Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Aufbau einer optischen Verzö gerungsstrecke in einer zweiten Ausführungsform, bei der maximale Umweg eingestellt ist; und

Fig. 4 zeigt die optische Verzögerungsstrecke der Fig. 3, bei der jedoch ein um einen Schritt verkürzter Umweg eingestellt ist.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer in zwei Ausfüh rungsformen dargestellt, die sich grundlegend voneinander unterscheiden, wie im folgenden näher erläutert werden wird. Gemäß den Fig. 1 und 2 weist das Laser system eine Erzeugungseinrichtung 10, eine Verschiebungseinrichtung 12 und eine Zusammenführungseinrichtung 14 auf. Die Erzeugungseinrichtung 10 dient dazu, einen ersten gepulsten Laserstrahl 16 und einen von diesem räumlich getrennten zweiten gepulsten Laserstrahl 18 zu erzeugen. Die Verschiebungseinrichtung 12 dient dazu, den zweiten Laserstrahl 18 zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl 16 zu verschieben. Die Zusammenführungseinrichtung 14 dient dazu, die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen 16, 18 zusammenzuführen, so dass sie einen Ausgangsstrahl 20 mit der gewünschten Pulsdauer abgibt.

Gemäß der Fig. 1 weist bei der ersten Ausführungsform des Lasersystems die Er zeugungseinrichtung 10 einen ersten Pulslaser 22, der den ersten Laserstrahl 16 aussendet, und einen zweiten Pulslaser 24 auf, der den zweiten Laserstrahl 18 aus sendet. Außerdem weist bei dieser ersten Ausführungsform die Verschiebungsein richtung eine Zeitschaltuhr 26 auf, die derart ausgebildet ist, dass zuerst der erste Laser 22 und dann mit einer einstellbaren Verzögerungszeit der zweite Laser 24 ge zündet wird. Die Zusammenführungseinrichtung 14 umfasst hier einen teildurchläs sigen Spiegel 28, der bevorzugt dichroitisch ist.

Wie in der Fig. 1 gut zu erkennen ist, laufen die beiden Laserstrahlen 16, 18 in der Horizontalebene (die der Zeichenebene entspricht) rechtwinklig zueinander. Im Schnittpunkt beider Laserstrahlen 16, 18 ist der teildurchlässige Spiegel 28 derart angeordnet, dass seine unverspiegelte Seite unter einem Winkel von 45° zu dem ersten Laserstrahl 16 und seine reflektierende Seite unter einem Winkel von eben falls 45° zu dem zweiten Laserstrahl 18 steht. Außerdem sind die beiden Laser 22, 24 derart angeordnet, dass der erste Laserstrahl 16 dieselbe Wegstrecke bis zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 zurücklegen muss wie der zweite Laserstrahl. Folglich treffen die einzelnen Impulse des zweiten Laserstrahls 18 um die durch die Zeitschaltuhr 26 vorgegebene Verzögerungszeit später bei dem teildurchlässigen Spiegel 28 ein als diejenigen des ersten Laserstrahls 16. Da der erste Laserstrahl 16 den teildurchlässigen Spiegel 28 nahezu ohne Richtungsänderung durchdringt, der zweite Laserstrahl 18 hingegen an dem teildurchlässigen Spiegel 28 um 90°, das heißt in der Fig. 1 von rechts nach unten, umgelenkt wird, sind die beiden La serstrahlen 16, 18, die vor dem teildurchlässigen Spiegel 28 räumlich getrennt sind, hinter dem teildurchlässigen Spiegel 28 nun zusammengeführt und bilden durch Überlagerung den Ausgangsstrahl 20. Da die Taktfrequenz, mit der die beiden La ser 22, 24 gezündet werden, gleich ist, und die Impulse des zweiten Laserstrahls 18 zeitlich gegenüber denen des ersten Laserstrahls 16 verschoben sind, entspricht die Pulsfrequenz des Ausgangsstrahls 20, wie auch die der beiden Laserstrahlen 16, 18, der Taktfrequenz der beiden Laser 22, 24, wohingegen seine Pulsdauer ent sprechend der Überlagerung der beiden Laserstrahlen 16, 18 größer als deren Pulsdauern ist. Die Pulsdauer des Ausgangsstrahls 20 kann demnach durch Verstellen der Verzögerungszeit mit Hilfe der Zeitschaltuhr 26 nach Wunsch gesteuert werden.

Eine Einstellung der Verzögerungszeit ist mit einer Genauigkeit im Nanosekunden bereich leicht auf mikroelektronischem Wege erreichbar, so dass auch die Pulsdau er des Ausgangsstrahls 20 mit dieser Genauigkeit eingestellt werden kann. Der Aus gangsstrahl 20 mit der gewünschten Pulsdauer kann dann beispielsweise im Falle der Laser-Annealing-Technik wie gewohnt über die elektrokeramische Dünnschicht geführt werden.

Die verwendeten Laser 22, 24 können bei derselben Wellenlänge arbeiten, es ist je doch auch möglich, verschiedene Wellenlängen zu wählen, die dann auch in dem Ausgangsstrahl 20 enthalten sind.

Außerdem können nach Bedarf auch mehr als die beiden Pulslaser 22, 24 vorgese hen sein, um beispielsweise noch eine weitere Wellenlänge in dem Ausgangsstrahl 20 zur Verfügung zu haben und/oder die Pulsdauer des Ausgangsstrahls 20 noch größer machen zu können. Ein (nicht dargestellter) dritter Laser könnte beispiels weise in der Fig. 1 unterhalb des zweiten Lasers 24 vorgesehen sein, der einen dritten Laserstrahl parallel zu dem zweiten Laserstrahl 18 erzeugt und ebenfalls mit der Zeitschaltuhr 26 verbunden ist. Diese Zeitschaltuhr 26 ist dann so ausgebildet, dass der dritte Laser mit einer eigenen einstellbaren Verzögerungszeit nach dem zweiten Laser 24 gezündet wird. An dem Schnittpunkt zwischen dem dritten Laser strahl und dem Ausgangsstrahl 20 kann dann ein (nicht dargestellter) zweiter teil durchlässiger Spiegel vorgesehen sein, der wie der dargestellte teildurchlässige Spiegel 28 den Ausgangsstrahl 20 und den dritten Laserstrahl zusammenführt.

Gemäß der Fig. 2 weist bei der zweiten Ausführungsform des Lasersystems die Er zeugungseinrichtung 10 einen einzigen Pulslaser 30 und einen Strahlteiler 32 auf, der den von dem Laser 30 ausgesendeten Laserstrahl 34 in den ersten Laserstrahl 16 und den zweiten Laserstrahl 18 aufteilt. Außerdem weist bei dieser zweiten Aus führungsform die Verschiebungseinrichtung 12 eine einstellbare optische Verzöge rungsstrecke 36 für den zweiten Laserstrahl 18 auf. Die Zusammenführungseinrich tung 14 ist hier wie bei der ersten Ausführungsform der Fig. 1 ein teildurchlässiger Spiegel 28, der den ersten Laserstrahl 16 und den zweiten Laserstrahl 18, nachdem dieser die optische Verzögerungsstrecke 36 durchlaufen hat, zu dem Ausgangs strahl 20 zusammenführt.

Bei dieser zweiten Ausführungsform des Lasersystems wird also der zweite Laser strahl 18 dadurch zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl 16 verschoben, dass er über den Umweg durch die optische Verzögerungsstrecke 36 zu dem teildurchlässi gen Spiegel 28 geführt wird. So führt beispielsweise ein Umweg von 1 m zu einer zeitlichen Verschiebung von 3,3 ns (= 1 m : 3 × 10⁸ m/s).

Da der zweite Laserstrahl 18 ab dem Strahlteiler 32 einen deutlich längeren Weg bis zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 als der erste Laserstrahl 16 zurücklegen muss, ist gemäß der Fig. 2 zwischen der Erzeugungseinrichtung 10 und der optischen Verzögerungsstrecke 36 ein Fernrohr 38 (schematisch durch eine Konkavlinse dargestellt) zur Aufweitung des zweiten Laserstrahls 18 vorgesehen. Damit wird eine Verringerung der Strahldispersion erreicht. Diese Aufweitung wird mit Hilfe einer Fokussierungsoptik 40 (schematisch durch eine Konvexlinse dargestellt) rückgängig gemacht, die zwischen dem Ausgang der optischen Verzögerungsstrecke 36 und dem teildurchlässigen Spiegel 28 vorgesehen ist.

Das Lasersystem der Fig. 2 weist eine optische Verzögerungsstrecke 36 in einer ersten Ausführungsform auf. Bei dieser ersten Ausführungsform wird die Verzöge rungsstrecke 36 durch eine Spiegelanordnung gebildet, die einen Eingangsspiegel 42 und einen Ausgangsspiegel 44 aufweist. Diese beiden Spiegel 42, 44 sind auf einem gemeinsamen Schlitten 46 angebracht, der zur Einstellung des Umweges rechtwinklig zu dem ersten Laserstrahl 16, das heißt in der Fig. 2 nach links und rechts, verschoben werden kann.

Der Eingangsspiegel 42 und der Ausgangsspiegel 44 sind so auf dem Schlitten 46 angeordnet, dass der zweite Laserstrahl 18 von dem Strahlteiler 32 auf den Ein gangsspiegel 42 trifft, der ihn zu dem Ausgangsspiegel 44 umlenkt, der ihn wieder um zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 umlenkt. Dies wird beispielsweise gemäß der Fig. 2 dadurch erreicht, dass der Eingangsspiegel 42 unter einem Winkel von 45° nach unten zu dem von links einfallenden zweiten Laserstrahl 18 weist und die sen folglich rechtwinklig nach unten zu dem Ausgangsspiegel 44 reflektiert, der un ter einem Winkel von ebenfalls 45° nach links zu dem von oben einfallenden zwei ten Laserstrahl 18 weist und diesen folglich rechtwinklig nach links zu dem teildurch lässigen Spiegel 28 reflektiert.

Der Abstand zwischen dem Eingangsspiegel 42 und dem Ausgangsspiegel 44 ist hier gleich dem Abstand zwischen dem Strahlteiler 32 und dem teildurchlässigen Spiegel 28 gewählt, so dass der zweite Laserstrahl 18 zwischen dem Eingangsspie gel 42 und dem Ausgangsspiegel 44 dieselbe Entfernung zurücklegen muss wie der erste Laserstrahl 16 zwischen dem Strahlteiler 32 und dem teildurchlässigen Spie gel 28. Demnach wird der Umweg des zweiten Laserstrahls 18 relativ zu dem ersten Laserstrahl 16 durch den Abstand zwischen dem Eingangsspiegel 42 und dem Strahlteiler 32 und den Abstand zwischen dem Ausgangsspiegel 44 und dem teil durchlässigen Spiegel 28 bestimmt, die hier gleich groß sind. Wenn nun in der Fig. 2 der Schlitten 46 um 0,5 m nach rechts verschoben wird, dann vergrößert sich der Umweg um 1 m (= 2.0,5 m), was einer zeitlichen Verschiebung des zweiten Laser strahls 18 gegenüber dem ersten Laserstrahl 16 von 3,3 ns entspricht.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der optischen Verzögerungsstrecke 36. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind zusätzlich zu dem Eingangsspiegel 42 und dem Ausgangsspiegel 44 wenigstens zwei Zwischenspiegel 48, 50 vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl 18 von dem Eingangsspie gel 42 über die Zwischenspiegel 48, 50 zu dem Ausgangsspiegel 44 umgelenkt wird.

Gemäß der Fig. 2 wird dies beispielsweise mit insgesamt 6 Zwischenspiegeln ver wirklicht, die in zwei parallelen Reihen jeweils äquidistant angeordnet sind. Zur bes seren Unterscheidung werden im folgenden die Zwischenspiegel in der ersten Reihe von links nach rechts in der Fig. 3 mit den Bezugszeichen 48.1, 48.2 und 48.3 und die Zwischenspiegel in der zweiten Reihe, die in der Fig. 3 oberhalb der ersten Rei he verläuft, von links nach rechts mit den Bezugszeichen 50.1, 50.2 und 50.3 be zeichnet.

Sämtliche Spiegel 42, 44, 48, 50 der optischen Verzögerungsstrecke 36 sind auf ei nem gemeinsamen Schlitten 46 angebracht, der wie bei der ersten Ausführungsform der Fig. 2 nach links und rechts in der Fig. 3 zur kontinuierlichen Feineinstellung des Umweges verschoben werden kann.

Die Zwischenspiegel 48, 50 sind derart angeordnet, dass der zweite Laserstrahl 18 von dem Eingangsspiegel 42 auf den ersten Zwischenspiegel 48.1 in der ersten Reihe trifft, der ihn zu dem ersten Zwischenspiegel 50.1 der zweiten Reihe reflek tiert. Dieser wiederum reflektiert ihn zu dem zweiten Zwischenspiegel 48.2 der ers ten Reihe, der ihn seinerseits zu dem zweiten Zwischenspiegel 50.2 der zweiten Reihe reflektiert. Von dort läuft der zweite Laserstrahl 18 zum dritten Zwischenspie gel 48.3 der ersten Reihe, der ihn auf den dritten Zwischenspiegel 50.3 der zweiten Reihe reflektiert. Dieser schließlich lenkt ihn zu dem Ausgangsspiegel 44 um, der in der Fig. 3 unterhalb der ersten Reihe angeordnet ist, so dass der zweite Laserstrahl 18 ungestört an den Zwischenspiegeln 48 der ersten Reihe vorbei zu dem teildurch lässigen Spiegel 28 laufen kann.

Der zweite Laserstrahl 18 läuft also in einer Zickzacklinie nacheinander zwischen den Zwischenspiegeln 48 der ersten Reihe und den Zwischenspiegeln 50 der zwei ten Reihe hin und her. Dadurch wird bei geringem Platzbedarf der optischen Verzö gerungsstrecke 36 ein langer Umweg ermöglicht. Da zudem die beiden Reihen pa rallel verlaufen und die Zwischenspiegel 48, 50 einer jeden Reihe äquidistant ange ordnet sind, ergibt sich ein sehr regelmäßiger Verlauf der Zickzacklinie. So stimmen die Reflexionswinkel bei den einzelnen Zwischenspiegeln 48, 50 miteinander über ein, und zum anderen sind die von dem zweiten Laserstrahl zurückzulegenden Ent fernungen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Zwischenspiegeln, also der Abstand zwischen dem ersten Zwischenspiegel 48.1 der ersten Reihe und dem ers ten Zwischenspiegel 50.1 der zweiten Reihe, der Abstand zwischen diesem und dem zweiten Zwischenspiegel der ersten Reihe, und so weiter, ebenfalls gleich. Der Vorteil dieser gleichen Spiegelabstände liegt darin, dass der Umweg auf einfache Art und Weise in gleich großen Schritten verringert werden kann. Zu diesem Zweck ist jeder Zwischenspiegel 48 der ersten Reihe abnehmbar auf dem Schlitten 46 an gebacht. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von (nicht dargestellten) Verankerungs stiften erfolgen, die an den Zwischenspiegeln 48 der ersten Reihe befestigt sind und in (nicht dargestellte) zugehörige Aufnahmelöcher in der Oberseite des Schlittens 46 passen.

Wenn nun beispielsweise gemäß der Fig. 4 der dritte Zwischenspiegel 48.3 der ers ten Reihe von dem Schlitten 46 abgenommen wird, dann ist zunächst der zickzack förmige Strahlengang des zweiten Laserstrahls 18 an dieser Stelle unterbrochen, so dass der zweite Laserstrahl 18 nicht mehr über den dritten Zwischenspiegel 50.3 der zweiten Reihe zu dem Ausgangsspiegel 44 umgelenkt wird. Als weitere Maß nahme wird der Ausgangsspiegel 44 gemäß der Fig. 4 in eine Position auf dem Schlitten 46 gebracht, in der er den von dem zweiten Zwischenspiegel 50.2 der zweiten Reihe einfallenden zweiten Laserstrahl 18 wieder zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 umlenkt. Zu diesem Zweck ist der Ausgangsspiegel 44 verschiebbar auf dem Schlitten 46 angebracht. Da jetzt der dritte Zwischenspiegel 48.3 der ersten Reihe und der dritte Zwischenspiegel 50.3 der zweiten Reihe nicht mehr im Strahl engengang des zweiten Laserstrahls 18 liegen, ist dessen Umweg durch die opti sche Verzögerungsstrecke 36 um das Doppelte des Spiegelabstands verringert.

Auf die gleiche Art und Weise lässt sich der Umweg um das Vierfache des Spiegel abstands verringern, indem einfach nicht der dritte Zwischenspiegel 48.3 der ersten Reihe von dem Schlitten 46 abgenommen wird, sondern der zweite Zwischenspie gel 48.2 der ersten Reihe, und indem der Ausgangsspiegel 44 in der Fig. 3 ent sprechend weiter nach links verschoben wird. Das gleiche gilt entsprechend bei Ab nehmen des ersten Zwischenspiegels 48.1 der ersten Reihe, wodurch der Umweg um das Sechsfache des Spiegelabstands verringert wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Erzeugungseinrichtung

12

Verschiebungseinrichtung

14

Zusammenführungseinrichtung

16

erster Laserstrahl

18

zweiter Laserstrahl

20

Ausgangsstrahl

22

erster Pulslaser

24

zweiter Pulslaser

26

Zeitschaltuhr

28

teildurchlässiger Spiegel

30

Pulslaser

32

Strahlteiler

34

Laserstrahl

36

optische Verzögerungsstrecke

38

Fernrohr

40

Fokussierungsoptik

42

Eingangsspiegel

44

Ausgangsspiegel

46

Schlitten

48

Zwischenspiegel der ersten Reihe

50

Zwischenspiegel der zweiten Reihe

Claims

1. Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer, mit:

- einer Erzeugungseinrichtung (10), die wenigstens einen Pulslaser (22, 30) aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Laserstrahl (16) und einen von diesem räumlich getrennten zweiten Laserstrahl (18) erzeugt;
- einer Verschiebungseinrichtung (12), die derart ausgebildet ist, dass sie den zweiten Laserstrahl (18) zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl (16) ver schiebt; und
- einer Zusammenführungseinrichtung (14), die derart ausgebildet ist, dass sie die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (16, 18) in einem Ausgangs strahl (20) zusammenführt.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass:

- die Erzeugungseinrichtung (10) einen zweiten Pulslaser (24) aufweist, wobei der erste Laser (22) den ersten Laserstrahl (16) und der zweite Laser (24) den zweiten Laserstrahl (18) aussendet; und
- die Verschiebungseinrichtung (12) eine Zeitschaltuhr (26) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass zuerst der erste Laser (22) und dann mit einer einstellba ren Verzögerungszeit der zweite Laser (24) gezündet wird.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass:

- die Erzeugungseinrichtung (10) einen Strahlteiler (32) aufweist, der den von dem Laser (30) ausgesendeten Laserstrahl (34) in den ersten und den zwei ten Laserstrahl (16, 18) aufteilt; und
- die Verschiebungseinrichtung (12) eine einstellbare optische Verzögerungs strecke (36) für den zweiten Laserstrahl (18) aufweist.

4. Lasersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Verzögerungsstrecke (36) durch eine Spiegelanordnung gebildet wird, die einen Eingangsspiegel (42) und einen Ausgangsspiegel (44) aufweist, die derart angeord net sind, dass der zweite Laserstrahl (18) von dem Strahlteiler (32) auf den Ein gangsspiegel (42) trifft und zu dem Ausgangsspiegel (44) umgelenkt wird, der ihn zu der Zusammenführungseinrichtung (14) umlenkt.

5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel anordnung wenigstens zwei Zwischenspiegel (48, 50) aufweist, die derart angeord net sind, dass der zweite Laserstrahl (18) von dem Eingangsspiegel (42) über die Zwischenspiegel (48, 50) zu dem Ausgangsspiegel (44) umgelenkt wird.

6. Lasersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen spiegel (48, 50) in zwei parallelen Reihen jeweils äquidistant derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl (18) von dem Eingangsspiegel (42) auf den ersten Zwi schenspiegel (48.1) in der ersten Reihe trifft und zu dem ersten Zwischenspiegel (50.1) in der zweiten Reihe umgelenkt wird und nacheinander zwischen den Zwi schenspiegeln (48, 50) der beiden Reihen hin- und herläuft, bis er von dem letzen Zwischenspiegel (48.3) der ersten Reihe auf den letzen Zwischenspiegel (50.3) der zweiten Reihe trifft und zu dem Ausgangsspiegel (44) umgelenkt wird.

7. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Zusammenführungseinrichtung (14) einen teildurchlässigen Spiegel (28) aufweist.

8. Verwendung des Lasersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten keramischen Schicht durch Laser-Annealing, bei dem das Temperaturprofil in der keramischen Schicht durch Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls (20) eingestellt wird.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer in Abhängigkeit von der Temperatur des bestrahlten Oberflächenbereichs der Schicht geregelt wird.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempera turüberwachung durch Messung der Reflexion von dem bestrahlten Oberflächenbe reich der Schicht erfolgt.