DE202006007691U1

DE202006007691U1 - Laser beam homogenizing device for e.g. laser ablation, has cylindrical lens dividing laser beam into partial beams, where path length difference of two of partial beams is larger than temporal coherence length of laser beam

Info

Publication number: DE202006007691U1
Application number: DE200620007691
Authority: DE
Original assignee: COHERENT LAMBDA PHYSIK GmbH
Current assignee: COHERENT LAMBDA PHYSIK GmbH
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2016-05-14

Abstract

The device has a cylindrical lens dividing a laser beam into a set of partial beams (101, 102, 103), and a field lens interfering the partial beams in a plane. A degree prism (501) is arranged before the field lens and the cylindrical lens in a beam direction. A path length difference of two of the partial beams is larger than a temporal coherence length of the laser beam during passing of the laser beam.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The The invention relates to a device for homogenizing laser radiation according to the preamble of claim 1.

Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserstrahlung, sogenannte Homogenisierer, werden verwendet um wohldefinierte Spotgrößen mit einer homogenen Intensitätsverteilung zu erzeugen, wie z.B. ein Rechteck mit verschiedenen Aspektverhältnissen. Im allgemeinen verwendet man hierzu einen Homogenisierer, welcher ein Array von symmetrisch angeordneten Linsen aufweist, welches manchmal auch Licht-Integrator genannt wird. Abhängig von der Anwendung bestehen diese Homogenisierer häufig aus Linsen mit verschiedenen Formen. Zumeist verwendete Linsenformen sind zylindrisch. Sphärische und hexagonale Linsenformen werden seltener verwendet. Durch einen derartigen Homogenisierer, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist, wird ein kollimierter Laserstrahl 1 durch den Zylinderlinsen-Array 2 in rechteckige Teilstrahlen unterteilt, die hinter der Fokalebene des Homogenisierers divergieren. Anschließend werden alle Teilstrahlen in der Fokalebene einer Feldlinse 3 überlagert, die hinter dem Linsen-Array 2 steht. Dadurch wird auf dem zu beleuchtenden oder zu bearbeitenden Werkstück 4 das gewünschte Intensitätsprofil erzeugt und Inhomogenitäten des emittierten Laserlichts ausgeglichen. Je nach Anwendung bestehen diese Homogenisierer oftmals auch aus mehreren Zylinderlinsen-Arrays, welche teilweise senkrecht aufeinander stehen und zugehörigen Feldlinsen.Devices for homogenizing laser radiation, so-called homogenizers, are used to generate well-defined spot sizes with a homogeneous intensity distribution, such as a rectangle with different aspect ratios. In general, this is done using a homogenizer which has an array of symmetrically arranged lenses, which is sometimes also called a light integrator. Depending on the application, these homogenizers often consist of lenses of different shapes. Most commonly used lens molds are cylindrical. Spherical and hexagonal lens shapes are less commonly used. By such a homogenizer, such as in 1 is shown, a collimated laser beam 1 through the cylindrical lens array 2 divided into rectangular partial beams, which diverge behind the focal plane of the homogenizer. Subsequently, all sub-beams in the focal plane of a field lens 3 superimposed, behind the lens array 2 stands. As a result, on the workpiece to be illuminated or machined 4 generates the desired intensity profile and balanced inhomogeneities of the emitted laser light. Depending on the application, these homogenizers often also consist of several cylindrical lens arrays, which are partly perpendicular to one another and associated field lenses.

Die Homogenisierung von Laserstrahlung ist insbesondere für die Strahlung von YAG- oder Excimer-Lasern wichtig, welche in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen. So werden derartig homogenisierte Laserstrahlen zur Laser-Ablation, also zum hochpräzisen Abtragen von Substratmaterial, in der Micro-Lithographie, also zur Herstellung beispielsweise von Wafern, zum Annealen des Siliziums zur Herstellung von Displays, zum Micro-Bohren von Löchern wie beispielsweise Löchern für Tintenstrahldüsen oder in zahlreichen medizinischen oder anderen Anwendungen verwendet.The Homogenization of laser radiation is especially for the radiation of YAG or excimer lasers important, which are used in various applications. Thus, such homogenized laser beams for laser ablation, ie for high precision Abtrag of substrate material, in micro-lithography, ie for Production of wafers, for example, to anneal the silicon for making displays, for micro-drilling holes like for example holes for inkjet nozzles or used in numerous medical or other applications.

Ein Beispiel für einen Homogenisierer ist in der DE 196 32 460 C1 beschrieben. Hier werden mehrere hintereinander geschaltete Linsen-Arrays verwendet, um die Strahlung eines Excimer-Lasers gleichzeitig zu homogenisieren und auf mehrere Beleuchtungsfelder aufzuteilen, um gleichzeitig unterschiedliche Bereiche eines Werkstücks mittels der Laserstrahlung bearbeiten zu können. Ein derartiger Aufbau eignet sich beispielsweise zum Bohren von Löchern für Tintenstrahldüsen.An example of a homogenizer is in the DE 196 32 460 C1 described. Here several successive lens arrays are used to homogenize the radiation of an excimer laser simultaneously and divide them into several fields of illumination in order to be able to simultaneously process different areas of a workpiece by means of the laser radiation. Such a construction is suitable, for example, for drilling holes for inkjet nozzles.

Ein anderes Beispiel für die Homogenisierung eines Laserstrahls ist in der EP 0 946 894 B1 gegeben. Hier wird der Eingangsstrahl durch Subhologramme in Teilstrahlen aufgeteilt und unterschiedlich gebeugt, so dass diese Teilstrahlen auf einem hinter den Subhologrammen angeordneten Werkstück überlappen und sich somit eine im wesentlichen über das gesamte Werkstück gleich verteilte Intensität des Ausgangsstrahls ergibt.Another example of the homogenization of a laser beam is in EP 0 946 894 B1 given. Here, the input beam is divided by sub-holograms into sub-beams and diffracted differently, so that these sub-beams overlap on a arranged behind the sub-hologram workpiece and thus results in a substantially uniform over the entire workpiece intensity of the output beam.

Es hat sich gezeigt, dass die derartige Homogenisierer durchlaufende Strahlung oftmals auf dem Werkstück in ihrer Intensitätsverteilung nicht völlig gleichmäßig ist, wie das theoretisch zu erwarten wäre. Vielmehr treten in dem homogenen Feld Modulationen auf. Diese können sich insbesondere bei der Anwendung der Laserstrahlung für die hochpräzise Bearbeitung von Werkstücken als störend auswirken.It It has been shown that such homogenizers are continuous Radiation often on the workpiece in their intensity distribution not completely is even as that would be theoretically expected. Rather, in the homogeneous field modulations on. These can be especially at the application of laser radiation for high-precision machining of workpieces as disturbing impact.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung so weiterzuentwickeln, dass die Intensitätsverteilung des homogenisierten Laserstrahls möglichst gleichmäßig ist.Of the Invention is based on the object, a device for homogenization of laser radiation so that the intensity distribution of the homogenized laser beam is as uniform as possible.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung mit den Merkmalen von Anspruch 1.Is solved the task according to the invention by a device for homogenizing laser radiation with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vor dem Element zum Überlagern der Teilstrahlen des Homogenisierers ein weiteres optisches Element angeordnet, welches so aufgebaut ist, dass es beim Durchtreten der Laserstrahlung für wenigstens einen der anschließend zu überlagernden Teilstrahlen über einen längeren Weg führt als einen oder mehrere andere Teilstrahlen. Hierdurch wird eine Weglängendifferenz der Teilstrahlen erzeugt, welche sichert, dass die Teilstrahlen beim Überlagern untereinander inkohärent sind. Die zu überlagernden Teilstrahlen werden also vor der Zusammenführung inkohärent gemacht, um mögliche durch Interferenzen entstehende Inhomogenitäten auf der Überlagerungsebene auszuschließen. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die beobachteten Modulationen, welche zu einer leichten Inhomogenität des überlagerten Profils führten, vermieden werden können.According to the invention is present the element for overlaying the partial beams of the homogenizer another optical element arranged, which is constructed so that it passes through the Laser radiation for at least one of the following to overlay Partial beams over a longer one Way leads as one or more other partial beams. This will be a path length the partial beams generated, which ensures that the partial beams when overlaying each other incoherent are. The ones to be overlaid Partial beams are thus made incoherent prior to the merger, in order to be possible through Interference resulting inhomogeneities at the superposition level excluded. It has been shown that the observed modulations, which led to a slight inhomogeneity of the superimposed profile, avoided can be.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kohärenzzerstörer vor dem Strahlaufteiler angeordnet. Im Allgemeinen sind Strahlaufteiler und Überlagerer bei einem Homogenisierer in kompakter Weise nacheinander angeordnet, bzw. sogar in einem Element integriert. Wird der Kohärenzzerstörer vor diesen Elementen angeordnet, so kann er auch bei bereits bestehenden Homogenisierem problemlos nachgerüstet werden. Bevorzugt ist der Kohärenzzerstörer so aufgebaut, dass er je einen Teil der Laserstrahlung entlang so vieler in. ihrer Länge unterschiedlicher optischer Wege führt, wie anschließend Teilstrahlen auf der Arbeitsebene überlagert werden. Dadurch ist gewährleistet, dass alle zu überlagernden Teilstrahlen inkohärent sind, so dass unter den Teilstrahlen keine Interferenzen auftreten können, was zu Modulationen der Intensität auf der Ebene führen würde. Hierdurch ist es möglich, eine optimale Homogenisierung des Intensitätsprofils der Laserstrahlung in der Überlagerungsebene zu erreichen.In a preferred embodiment, the coherence destroyer is arranged in front of the beam splitter. In general, beam splitters and superimposers are arranged in a compact manner in a compact manner in a homogenizer, or even integrated in one element. If the coherence destroyer is arranged in front of these elements, then it can be easily retrofitted even with existing homogenizers. Preferably, the coherence destroyer is constructed so that it leads each part of the laser radiation along as many in. Their length different optical paths, as subsequently Partial beams are superimposed on the working plane. This ensures that all the sub-beams to be superimposed are incoherent, so that no interference can occur under the sub-beams, which would lead to modulation of the intensity on the level. This makes it possible to achieve optimum homogenization of the intensity profile of the laser radiation in the superposition plane.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kohärenzzerstörer stufenförmig aufgebaut, so dass der Laserstrahl beim Passieren desselben beim Durchlaufen jeder unterschiedlich großen Stufe einen jeweils längeren Weg zurücklegen muss als beim Durchlaufen einer kleineren Stufe. Dies ist ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau eines Kohärenzzerstörers, der auch ideal an die Anzahl der zu überlagernden Teilstrahlen angepasst werden kann, indem die Stufenzahl entsprechend der Anzahl der zu überlagernden Teilstrahlen gewählt wird.In a particularly advantageous embodiment of the invention the coherence destroyer stepped, so that the laser beam as it passes through it every different size Stage one each longer Travel way back must than when going through a smaller stage. This is a special one easier and cheaper Building a coherence destroyer, too ideal for the number of overlays Partial beams can be adjusted by adjusting the number of stages accordingly the number of sub-beams to be superimposed chosen becomes.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung basiert der Kohärenzzerstörer auf dem Prinzip der Totalreflektion. Es werden so viele Teilstrahlen an unterschiedlichen Bereichen des Kohärenzzerstörers totalreflektiert wie anschließend inkohärente Teilstrahlen gewünscht sind. Da die Totalreflektion im Wesentlichen verlustfrei ist, kann hierdurch die Kohärenz der Laserstrahlung zerstört werden, ohne dabei Intensitätseinbußen zu verursachen.In a further advantageous embodiment of the device based on the coherence destroyer the principle of total reflection. There are so many partial beams totally reflected at different areas of the coherence destroyer as subsequently incoherent partial beams required are. Since the total reflection is essentially lossless, can thus the coherence the laser radiation destroyed without causing any loss of intensity.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird die Weglängendifferenz der Laserstrahlung in dem Kohärenzzerstörer dadurch bewirkt, dass Teile der Laserstrahlung jeweils unterschiedlich große Umlenkprismen durchlaufen, innerhalb derer sie vorzugsweise mehrfach reflektiert werden, was jeweils zu einer Vergrößerung der Weglängendifferenz führt. Insbesondere können derartige Umlenkprismen so aufgebaut werden, dass die über unterschiedlich lange Wege geführten Teilstrahlen beim Austreten wieder zu einem gemeinsamen Strahl zusammengeführt werden.In a further advantageous embodiment of the device is the path length difference the laser radiation in the coherence destroyer thereby causes parts of the laser radiation each different sized deflection prisms pass through, preferably within which they reflect multiple times be, which in each case to an increase in the path length difference leads. In particular, you can Such deflection prisms are constructed so that the over different guided long walks Sub-beams are merged again when emerging to a common beam.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kohärenzzerstörer aus kristallinem Quarz aufgebaut. Der Quarz ist dabei idealer Weise so geformt, dass verschiedene Anteile der ihn durchdringenden Laserstrahlung unterschiedlich lange Wege in ihm zurücklegen müssen. Die wieder austretende Laserstrahlung hat dann eine in Abhängigkeit vom Brechungsindex unterschiedliche Weglängendifferenz. Da die Weglängendifferenz umso größer ist, je größer der Brechungsindex des Quarzes ist, wird bevorzugt ein Quarz mit möglichst großem Brechungsindex verwendet. Hier ist auch vorstellbar, ein Prisma aus mehreren Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex aufzubauen, so dass der Brechungsindexunterschied die Weglängenunterschiede verursacht. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind zwei aus Umlenkprismen zusammengesetzte Stufenprismen hintereinander und senkrecht zueinander angeordnet. Hierdurch kann der Laserstrahl für die Homogenisierung durch gekreuzte Zylinderlinsen-Arrays vorbereitet werden.In a further advantageous embodiment of the invention the coherence destroyer of crystalline Quartz built up. The quartz is ideally shaped so that different proportions of the laser radiation penetrating it differently to travel long distances in it have to. The re-emerging laser radiation then has a function of different path length difference from the refractive index. Since the path length difference all the more is bigger, the bigger the Refractive index of the quartz, is preferably a quartz with the largest possible refractive index used. Here is also conceivable, a prism of several areas build up with different refractive index, so that the refractive index difference the path length differences caused. In a further advantageous embodiment of the device are two composed of deflecting prisms step prisms in a row and arranged perpendicular to each other. This allows the laser beam for the Homogenization prepared by crossed cylindrical lens arrays become.

Das Prinzip der Erfindung besteht also darin, die zur Homogenisierung eines Laserstrahls zu überlagernden Teilstrahlen vor der Überlagerung über unterschiedlich lange optische Wege zu führen, so dass diese Weglängendifferenzen aufweisen, die im Idealfall deutlich größer als die Kohärenzlänge des Laserlichts sind. Dabei kann die Weglängendifferenz zwischen den zu überlagernden Teilstrahlen prinzipiell an jeder vor der Überlagerung befindlichen Stelle eingeführt werden. So könnte ein Kohärenzzerstörer der diese Weglängendifferenz bewirkt auch zwischen dem Strahlaufteiler und dem Überlagerer angeordnet werden, da hier die einzelnen Teilstrahlen bereits getrennt sind. Insbesondere bei einer neuen Konstruktion eines Homogenisierers könnte diese Anordnung vorteilhaft sein. Prinzipiell ist als Kohärenzzerstörer jedes optisch aktive Element denkbar, das einen eintretenden oder auftreffenden Laserstrahl mit unterschiedlichen Weglängen für die austretenden oder umgelenkten Anteile der Laserstrahlung beaufschlagt, so dass der Laserstrahl nach dem Kontakt oder Durchlaufen des Kohärenzzerstörers unterschiedliche Anteile aufweist, die mit Sicherheit inkohärent sind. Im wesentlichen ist es dabei ausreichend, wenn so viele Anteile des Laserstrahls inkohärent sind wie anschließend Teilstrahlen überlagert werden, da insbesondere beim Überlagern dieser Teilstrahlen die Kohärenz derselben zu Problemen führen würde. Denkbar wäre es jedoch auch, ein optisch aktives Element vorzusehen, das die Kohärenz der Laserstrahlung vollständig zerstört.The The principle of the invention is thus that for homogenization of a laser beam to be overlaid Partial beams before overlaying over different to lead long optical paths so that these path-length differences ideally greater than the coherence length of the Laser light are. The path length difference between the to overlay Partial beams in principle at each location before the overlay introduced become. So could a coherence destroyer of these path length also effects between the beam splitter and the superpositioner are arranged, since the individual sub-beams are already separated are. Especially with a new construction of a homogenizer could this arrangement be advantageous. In principle, as a coherence destroyer each optically active element conceivable that an incoming or impinging Laser beam with different path lengths for the exiting or deflected Shares of the laser radiation applied, so that the laser beam after the contact or passing through the coherence destroyer different proportions which are certainly incoherent. Essentially It is sufficient if so many parts of the laser beam incoherent are like then Sub-beams are superimposed, especially when overlaying these partial beams are the coherence cause problems would. It would be possible However, it also to provide an optically active element that the Coherence of Laser radiation completely destroyed.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen eingehend erläutert wird.Further Details and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims In connection with the description of an embodiment based on the drawings explained in detail becomes.

Es zeigen:It demonstrate:

1: Schematisch einen Homogenisierer gemäß dem Stand der Technik, 1 : Schematically a homogenizer according to the prior art,

2a bis c: verschiedene Möglichkeiten zur Einführung von Wellenlängendifferenzen, 2a to c: different possibilities for the introduction of wavelength differences,

3: schematisch die Einführung einer Weglängendifferenz an einem Umlenkprisma, 3 FIG. 2 schematically shows the introduction of a path length difference on a deflection prism, FIG.

4a und b: den Aufbau einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung eines Laserstrahls in 4a einer Oberaufsicht und 4b einer Seitenansicht und 4a and b: the structure of a preferred device according to the invention for homogenizing a laser beam in 4a a superintendence and 4b a side view and

5: die Phasen eines Laserstrahls vor und nach der Umlenkung nach einem bzw. zwei Stufenprismen. 5 : the phases of a laser beam before and after the deflection after one or two step prisms.

2 zeigt verschiedene Prinzipien von als Stufenprismen realisierten Kohärenzzerstörem 5, welche vor dem Überlagerer eines Homogenisierers für Laserstrahlen angeordnet werden können, um die Kohärenz der zu überlagernden Teilstrahlen zu zerstören. Alle die hier gezeigten Kohärenzzerstörer basieren darauf, dass das Licht des Laserstrahls jeweils in Teilbereichen unterschiedliche Wege im Kohärenzzerstörer zurücklegt oder unterschiedlich reflektiert wird. Dabei weisen die Kohärenzzerstörer 5 jeweils Stufen der Breite d auf, wie dies in 2a anhand der Pfeile dargestellt ist. Die Einführung der Weglängendifferenz erfolgt in 2a anhand der Verzögerung, die die Teilstrahlen jeweils beim Durchtritt durch das optisch aktive Medium des Kohärenzzerstörers 5 erfahren. Die Weglängendifferenz zwischen den Teilstrahlen 101, 102 und 103 beträgt dabei jeweils Δ = nd – d, wobei n die Brechzahl des Kohärenzzerstörers 5 und d die Stufenbreite des Kohärenzzerstörers 5 ist. Für kristallines Quarz beträgt somit die Weglängendifferenz eines derartigen Kohärenzzerstörers in etwa 1/2 d. 2 shows various principles of coherence destructors realized as step prisms 5 which can be arranged in front of the superpositioner of a homogenizer for laser beams in order to destroy the coherence of the sub-beams to be superimposed. All of the coherence destroyers shown here are based on the fact that the light of the laser beam covers different paths in the coherence destroyer or is reflected differently in each subarea. This is shown by the coherence destroyers 5 each steps of width d on, as in 2a is shown by the arrows. The introduction of the path length difference takes place in 2a based on the delay that the sub-beams each pass through the optically active medium of the coherence destroyer 5 Experienced. The path length difference between the partial beams 101 . 102 and 103 is in each case Δ = nd - d, where n is the refractive index of the coherence destroyer 5 and d the step width of the coherence destroyer 5 is. Thus, for crystalline quartz, the path length difference of such a coherence destroyer is about 1/2 d.

Die Einführung der Weglängendifferenz in dem in 2b dargestellten Kohärenzzerstörer 5 basiert auf dem Prinzip der Totalreflektion. Hier wird eine Differenz der Weglängen der Teilstrahlen 101 bis 103 dadurch bewirkt, dass beispielsweise der Strahl 102 eine Stufenbreite d nach dem Strahl 101 zurückreflektiert wird, also die Stufenbreite d zweimal durchlaufen muss, bevor er sich wieder in dieselbe Richtung bewegt wie der Teilstrahl 101. Damit beträgt die Weglängendifferenz die durch diesen Kohärenzzerstörer 5 eingeführt wird Δ = 2 d. Bei dem in der 2c gezeigten Kohärenzzerstörer 5 werden die in 2a und 2b beschriebenen Prinzipien miteinander kombiniert. Der Laserstrahl 101 durchläuft einen kürzeren Weg innerhalb des Quarzes des Kohärenzzerstörers 5 und wird zusätzlich eher reflektiert als der Teilstrahl 102. Dadurch wird mit einem Kohärenzzerstörer wie dem in 2c gezeigten eine Weglängendifferenz Δ zwischen benachbarten Teilstrahlen 101, 102 oder 103 von Δ = 2 nd, also für den zu verwendenden Quarz von etwa 3 d erreicht. Damit kann mit dem in 2c verfolgten Prinzip, bei dem die Teilstrahlen sowohl das optisch aktive Material des Kohärenzzerstörers durchlaufen, als auch an dessen Randflächen totalreflektiert werden, die maximale Weglängendifferenz, und damit ein optimales Ergebnis erreicht werden.The introduction of the path length difference in the in 2 B illustrated coherence destroyers 5 based on the principle of total reflection. Here is a difference of the path lengths of the partial beams 101 to 103 causes, for example, the beam 102 a step width d after the beam 101 is reflected back, so must pass through the step width d twice before moving back in the same direction as the sub-beam 101 , Thus, the path length difference is that through this coherence destroyer 5 is introduced Δ = 2 d. In the in the 2c shown coherence destroyers 5 will be in 2a and 2 B combined principles described. The laser beam 101 goes through a shorter path within the quartz of the coherence destroyer 5 and is additionally reflected rather than the sub-beam 102 , This is done with a coherence destroyer like the one in 2c shown a path length difference Δ between adjacent partial beams 101 . 102 or 103 of Δ = 2 nd, that is to say for the quartz to be used of about 3 d. This can be done with the in 2c pursued principle, in which the sub-beams both pass through the optically active material of the coherence destroyer, and are totally reflected on the edge surfaces, the maximum path length difference, and thus an optimal result can be achieved.

Der größte Weglängenunterschied wird also erreicht, wenn der Laserstrahl innerhalb des Kohärenzzerstörers geleitet und totalreflektiert wird. In 3 ist ein weiterer Kohärenzzerstörer 504 prinzipiell dargestellt, der sich dieses Prinzip zu eigen macht, und dahingehend optimiert, dass die Laserstrahlen zweimal totalreflektiert werden. Der Kohärenzzerstörer 504 weist zwei hier schematisch dargestellte gleichschenklige um die Stufenbreite d unterschiedlich große Dreiecke 6 und 7 auf. Die Dreiecke 6 und 7 sind aufeinandergesetzt, was aus dieser Obenaufsicht auf den Kohärenzzerstörer 504 nur schematisch ersichtlich ist. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das größere Dreieck 6 unterhalb des Dreiecks 7 angeordnet ist. Der auf das untere Dreieck 6 treffende Laserstrahl 104 wird nachdem er das dreieckförmige Prisma durchlaufen hat, an seinen rückseitigen Katheten durch Totalreflektion zweimal umgelenkt. Dasselbe geschieht mit dem auf das Prisma 7 treffenden Laserstrahl 105 an den rückseitigen Katheten des dreieckförmigen Prismas 7. Die bei der Umlenkung durch die beiden ungleich großen dreieckförmigen Prismen eingeführte Weglängendifferenz für die beiden Teilstrahlen 104 und 105 beträgt Δ = 2 nd √2 bei einer Stufenbreite d als Größenunterschied zwischen den beiden Prismen 6 und 7 und einer Brechzahl n. Um die Kohärenz des Laserstrahls vor einem Homogenisierer zu zerstören wird aus mehreren derartigen Dreiecken ein Stufenprisma aufgebaut, dessen Stufenzahl der Anzahl der Teilstrahlen entspricht, welche anschließend im Homogenisierer auf einer Ebene übereinander gelegt werden. Werden derartige Stufenprismen hintereinander angeordnet, so kann man den Laserstrahl für die Homogenisierung durch gekreuzte Zylinderlinsen vorbereiten. Die durch eine solche Anordnung mit einer Stufenbreite von d = 1 mm erzielbare Phasenverschiebung ist in 4 dargestellt. Der in den Kohärenzzerstörer eintretende teilkohärente Laserstrahl ist in der 4 im linken Quadrat rechts oben zu sehen. Nach der Umlenkung an einem ersten Stufenprisma ergeben sich die unterhalb dieses dargestellten Phasen des das Stufenprisma durchlaufenden Strahls wie er rechts unten in dem Quadrat zu sehen ist. Während links unten die Phasen eines ein zweites, senkrecht dazu angeordnetes Stufenprisma durchlaufenden Laserstrahls zu sehen sind. Hier ist zu sehen, dass alle die anschließend durch gekreuzte Zylinderlinsen-Arrays aufzuteilenden Teilstrahlen, welche anschießend im Homogenisierer wieder überlagert werden unterschiedliche Phasen aufweisen.The largest path length difference is thus achieved when the laser beam is guided within the coherence destroyer and totally reflected. In 3 is another coherence destroyer 504 illustrated in principle, which makes this principle its own, and optimized so that the laser beams are totally reflected twice. The coherence destroyer 504 has two isosceles shown here schematically by the step width d different sized triangles 6 and 7 on. The triangles 6 and 7 are put together, what comes from this oversight on the coherence destroyer 504 only schematically is visible. In the following it is assumed that the larger triangle 6 below the triangle 7 is arranged. The one on the lower triangle 6 striking laser beam 104 After having passed through the triangular prism, it is deflected twice by total reflection on its backside catheters. The same thing happens with the one on the prism 7 meeting laser beam 105 at the back catheters of the triangular prism 7 , The introduced during the deflection by the two unequal large triangular prisms path length difference for the two partial beams 104 and 105 is Δ = 2 nd √2 for a step width d as the size difference between the two prisms 6 and 7 and a refractive index n. In order to destroy the coherence of the laser beam in front of a homogenizer, a step prism is constructed from a plurality of such triangles, the number of steps of which corresponds to the number of partial beams, which are then superimposed in one plane on the homogenizer. If such step prisms arranged one behind the other, so you can prepare the laser beam for the homogenization by crossed cylindrical lenses. The achievable by such an arrangement with a step width of d = 1 mm phase shift is in 4 shown. The partially coherent laser beam entering the coherence destroyer is in the 4 to be seen in the left upper right corner. After the deflection at a first step prism, the phases of the step prism running through it are shown below, as can be seen in the lower right corner of the square. While the phases of a laser beam passing through a second, perpendicularly arranged step prism are visible on the bottom left. Here it can be seen that all of the sub-beams, which are subsequently to be split up by crossed cylindrical-lens arrays, which are subsequently superimposed again in the homogenizer, have different phases.

Die 5a zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung eines Laserstrahls 106, der zwei nacheinander angeordnete Stufenprismen 505 und 506 durchläuft, bevor er an dem Zylinderlinsen-Array 201 in Teilstrahlen aufgespalten wird. In 5b ist dieselbe Anordnung wie in 5a zu sehen, jedoch in Seitenansicht. Aus dieser Ansicht geht deutlicher hervor, dass jeder der durch das Zylinderlinsen-Array 201 abgespaltete Teilstrahl vor der Abspaltung einen anderen Weg durch die Stufenprismen 505 und 508 zurücklegt und somit zwischen diesen Teilstrahlen eine Weglängendifferenz auftritt. Dadurch sind die anschließend durch eine Feldlinse 3 auf dem Feld 4 überlagerten Teilstrahlen inkohärent, es kommt zu keinen Intensitätsmodulationen in der überlagerten Ebene.The 5a schematically shows the structure of a device according to the invention for homogenizing a laser beam 106 , the two successively arranged step prisms 505 and 506 goes through before joining the cylinder lens array 201 split into sub-beams. In 5b is the same arrangement as in 5a to see, however in side view. From this view it is clearer that each of the through the cylindrical lens array 201 split partial beam before splitting on their way through the step prisms 505 and 508 travels and thus between these partial beams a path length difference occurs. This will be followed by a field lens 3 on the field 4 superimposed partial beams incoherent, there are no intensity modulations in the superimposed plane.

11: Laserstrahllaser beam
22: Zylinderlinsen-ArrayCylindrical lens array
33: Feldlinsefield lens
44: Werkstück, FeldWorkpiece, field
55: Kohärenzzerstörercoherence destroyer
66: Dreiecktriangle
77: Dreieck, PrismaTriangle, prism
101101: Laserstrahllaser beam
102102: Laserstrahllaser beam
103103: Laserstrahllaser beam
104104: Laserstrahllaser beam
105105: Laserstrahllaser beam
106106: Laserstrahllaser beam
201201: Zylinderlinsen-ArrayCylindrical lens array
501501: Stufenprismastages prism
502502: Stufenprismastages prism
503503: Stufenprismastages prism
504504: Kohärenzzerstörercoherence destroyer
505505: Stufenprismastages prism
506506: Stufenprismastages prism

Claims

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ), with a beam splitter ( 2 ) for dividing the laser radiation ( 1 ) into a plurality of partial beams ( 101 . 102 . 102 . 103 . 104 . 105 ) and a superimposer ( 3 ) for superimposing the partial beams ( 101 . 102 . 102 . 103 . 104 . 105 ) in one level ( 4 ), characterized in that in the beam direction in front of the superimposed ( 3 ) a coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) is arranged, which when passing the laser radiation ( 1 ) a path length difference of at least two partial beams ( 101 . 102 . 102 . 103 . 104 . 105 ) causes the greater than the temporal coherence length of the laser radiation ( 1 ).

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) in front of the beam splitter ( 2 ) is arranged.

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) is constructed such that it has at least path length differences of all sub-beams ( 101 . 102 . 102 . 103 . 104 . 105 ) causes.

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 1 or 3, characterized in that the coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) Has stages.

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) is constructed so that it the laser radiation ( 1 ) totally reflected.

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) has adjoining deflection prisms of different sizes.

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 1 or 4, characterized in that the coherence destroyer ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) is made of crystalline quartz.

Device for homogenizing laser radiation ( 1 ) according to claim 6, characterized in that at least two such coherence destroyers ( 5 . 501 . 502 . 503 . 504 . 505 . 506 ) are arranged one behind the other.