DE2643364A1

DE2643364A1 - Linsenanordnung zur umwandlung der emissionsstrahlung eines injektionslasers mit streifenfoermiger geometrie in eine solche mit sphaerischer wellenfront

Info

Publication number: DE2643364A1
Application number: DE19762643364
Authority: DE
Inventors: Robert Guido Chemelli; Richard Carrel Miller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1976-09-25
Publication date: 1977-04-07
Also published as: FR2325952A1; GB1554201A; US3974507A; NL7610738A; FR2325952B1; JPS5242741A; CA1067735A; JPS6244246B2

Description

BLUMBACH - WESER · BERGEN . KRAMER 43 3 5 ZWIRNER . HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Western Electric Company, Incorporated Chemelli 3-6 New York, N. Y. 10007, USA

Linsenanordnung zur Umwandlung der Emissionsstrahlung eines Injektionslasers mit streifenförmiger Geometrie in eine solche mit sphärischer Wellenfront

Die Erfindung- bezieht sich auf die Bearbeitung einer Dünnschicht mit Laserstrahlung, um Miniaturbilder in der Dünnschicht zu erzeugen, insbesondere auf eine Linsenanordnung zum Umwandeln der Ausgangsstrahlung des Lasers zwecks Sicherstellung einer zuverlässigen und hochqualitativen Bilderzeugung in der Schicht.

Ein neuartiges kompaktes Faksimilesystem zum übertragen eines Bildes hoher Auflösung einer gedruckten Seite ist in "An Experimetal Page Facsimile System" von H. A. Watson, Bell Laboratories Record, März 1975, Seiten 163-169 beschrieben. Der wichtigste Vorteil des dort beschriebenen Systems ist dessen Geschwindigkeit - 10 Sekunden zum Abtasten, Übertragen und Wiedergeben des Bildes einer {in

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München: Krsmer ■ Dr.Weser · H'rsch — Wiesbaden: Biumbach - Dr.Bergen · Zwirner

- sr-

den angelsächsischen Ländern) üblichen 21,6 χ 27,9 cm-Seite.

Die für das beschriebene Faksimilesystem erforderliche Anlage besteht aus drei Hauptteilen. An der sendeseitigen Endstelle befindet sich eine Seitenabtastvorrichtung, die ein das Originaldokument, als die Vorlage, repräsentierendes Videosignal erzeugt. Hieran schließt sich eine breitbandige Analogübertragungsleitung an, über die das Videosignal übertragen wird. Schließlich befindet sich an der empfangsseitigen Endstelle eine Apparatur mit einem Laser zum selektiven Bearbeiten einer Dünnschicht, um so das Bild der Vorlage wieder zusammenzusetzen.

Vorteilhaft ist der empfangsseitig vorgesehene Laser, ein Galliumarsenid-Laser mit Streifengeometrie und Doppelheterostruktur. Mit einem solchen Laser ist es möglich geworden, einen vergleichsweise kompakten und einfachen Empfänger für die der Bildwiedergabe dienenden Bearbeitung einer Dünnschicht zu konstruieren.

Der typische Galliumarsenid-Laser erzeugt ein optisches Ausgangsstrahlenbündel, das Astigmatismus und einen elliptischen Querschnitt aufweist. Für eine hochqualitative Bearbeitung der Dünnschicht ist es aber wichtig, daß die

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astigmatische Natur des Strahlenbündels korrigiert wird und daß außerdem das Strahlenbündel in ein solches mit kreisförmigem Querschnitt umgewandelt wird. Ein Beispiel einer solchen Apparatur zum Korrigieren und Umwandeln des Laserstrahlenbündels findet sich in der gleichlaufenden US Anmeldung 599 850, R. G. Chemelli, D. D. Cook und R. C. Miller.

Ein Galliumarsenid-Laser zeigt manchmal das Phänomen einer Strahlauswanderung und/oder Fadenbildung - Effekte also, die dem einschlägigen Fachmann bekannt sind und die besonders ausgeprägt sein können, wenn der Laser in die in der vorstehend erwähnten US-Anmeldung beschriebene Ausführungsform der optischen Apparatur eingekoppelt wird. Diese Effekte können eine Verschlechterung der Bilder erzeugen, die von Galliumarsenid-Laserbearbeitungssystemen der bisherigen Bauart erzeugt werden.

Demgemäß ist die Erfindung auf ein Linsensystem zur Anordnung zwischen der Ausgangsfläche eines Festkörper-Übergangslasers und einer durch das Laserstrahlenbündel selektiv zu bearbeitenden Dünnschicht gerichtet, wobei das Ausgangsstrahlenbündel des Lasers, gesehen in einer zur Übergangs-

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ebene des Lasers senkrechten Ebene, einen vergleichsweise großen Fernfeld-Divergenzwinkel für eine an der Ausgangsfläche befindliche scheinbare Quelle aufweist und, gesehen in einer zur Übergangsebene des Lasers parallelen Ebene, einen vergleichsweise kleinen Fernfeld-Divergenzwinkel für eine hinter der Ausgangsfläche befindliche scheinbare Quelle besitzt und wobei das Linsensystem eine sphärische Linse aufweist, die sich in einer der Sammlung des vom Laser emittierten Lichtes dienenden Stellung befindet und eine für eine Anpassung an die maximale Divergenz des Ausgangsstrahlenbündels ausreichend große numerische Apertur aufweist; und die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse im Abstand voneinander liegende Bilder der beiden Quellen erzeugt und daß Linsenmittel zum Sammeln von von der sphärischen Linse geliefertem Licht derart vorgesehen sind, daß die auf die Dünnschicht gerichteten Lichtstrahlen als von einem Bild mit azimutaler Symmetrie divergierend ausgehend, erscheinen.

Mit der Erfindung ist es daher möglich, ein verbessertes Galliumarsenid-Laserbearbeitungssystem bereitzustellen.

Die Apparatur ist gegenüber Strahlauswanderungseffekten und gewissen Arten von Fadenbildungseffekten unempfindlich und sorgt

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für eine Korrektion der astigmatischen Natur des Ausgangsstrahlenbündels eines Galliumarsenid-Lasers und für eine Umwandlung des Strahls in einen solchen mit kreisförmigem Querschnitt.

Bei einer speziellen Ausfuhrungsform ist eine Linsenanordnung zwischen der Ausgangsfläche eines Festkörperlasers mit PpnN-Obergang und einer Dünnschicht angeordnet, die mit dem Laserstrahl zur Mikrobilderzeugung hierauf bearbeitet werden soll. Für den PpnN-Laser ist es charakteristisch, daß dessen Ausgangsstrahlenbündel, gesehen in einer Ebene senkrecht zur Ebene des PpnN-überganges (der übergangsebene), einen vergleichsweise großen Fernfeld-Divergenzwinkel für eine an der Ausgangsfläche befindliche scheinbare Quelle aufweist, während das Ausgangsstrahlenbündel, gesehen in einer zur übergangsebene des Lasers parallelen Ebene, einen vergleichsweise kleinen Fernfeld-Divergenzwinkel für eine hinter der Ausgangsfläche befindliche scheinbare Quelle besitzt.

Die Linsenanordnung umfaßt vorzugsweise eine sphärische Linse hohe numerischer Apertur, die sich in einer der Sammlung des vom Laser emittierten Lichtes dienenden Stellung befindet und im Abstand voneinander liegende reelle Bilder der scheinbaren Quellen erzeugt. Weiterhin

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umfaßt die Linsenanordnung eine halbzylindrische Linse, die zum Sammeln von von der sphärischen Linse geliefertem Licht so angeordnet ist, daß die auf die Dünnschicht gerichteten Lichtstrahlen als von einem der reellen Bilder mit azimutaler Symmetrie divergierend ausgehend, erscheinen .

Nachstehend ist die Erfindung an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines üblichen Festkörper-Übergangslasers mit bekannten Linsenkomponenten ,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1, und zwar geschnitten in der Ebene der Schicht 14 in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsanordnung mit Laserstrahlen mit einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine der grundsätzlichen Linsenkomponenten bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

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- 4Γ -

Fig. 5 und 6 zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung,

Fig. 7 eine der in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehenen Linsenkomponenten in Kombination mit einem Strahlenbündel-Expansionsund Kollimationssystem und

Fig. 8 und 9 je ein weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Festkörperübergangslaser 10 ist ein Beispiel für den Lasertyp, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist.

Der Laser 10 ist beispielsweise ein Galliumarsenid-Laser mit Doppelheterostruktur und Streifengeometrie, der aus einer N-leitenden GaAlAs-Schicht 12, einer n-leitenden GaAs-Schicht 13, einer p-leitenden GaAs-Schicht 14 und einer P-leitenden GaAlAs-Schicht 15 aufgebaut ist, die in der angegebenen Reihenfolge auf einem (nicht dargestelltem) GaAs-Substrat erzeugt worden sind.(die gewählte Bezeichnung des Leitungstyps in Groß- oder Kleinbuchstaben steht dabei für einen großen bzw. kleinen Energiebandabstand im je betroffenen Halbleitermaterial, um so die Doppelheterostruktur besser andeuten zu können). Der

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optische Mode der niedrigsten Ordnung des Lasers 10 ist hauptsächlich auf die p-leitende GaAs-Zone 14 innerhalb einer Streifenbreite eingegrenzt, die üblicherweise durch Protonenbombardement definiert ist. Für einen Betrieb im Mode niedrigster Ordnung ist die Höhe (die Dimension in y-Richtung) der Schicht 14 typischerweise kleiner als 1,5 Mikrometer (eine ins einzelne gehende Beschreibung eines Lasers dieser Art siehe "Journal of Applied Physics", Band 44, Nr. 3, März 1973, Seiten 1276-1280). Beipsielsweise ist die Streifenbreite (Dimension a in Fig. 2) etwa 380 χ 100 χ 380 Mikrometer in der x-, y- bzw. ζ-Richtung des in Fig. 1 und 2 mit dargestellten Koordinatensystems .

Zwei grundsätzliche Probleme, die der Verwendung eines Galliumarsenid-Lasers zur Bearbeitung einer Dünnschicht zugeordnet sind, sind der Astigmatismus und der elliptische Querschnitt des Ausgangsstrahlenbündels der Vorrichtung Diese Eigenschaften sind durch die gestrichelten Strahlen dargestellt, die aus dem Laser in einer zur übergangsebene senkrechten Ebene (Fig. 1) und in einer zur übergangsebene parallelen Ebene (Fig. 2) austreten. (Die Übergangsebene liegt, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, in der xz-Ebene.)Im einzelnen hat das Laserstrahlenbündel,

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gesehen in der zur Übergangsebene (des hier speziell betrachteten GaAs-Lasers) senkrechten Ebene, einen Fernfeld-Divergenzhalbwinkel Θ. von üblicherweise etwa 25 bis 3o '(gemessen bei 1/e der Spitzenintensität) mit einer scheinbaren Lichtquelle am Laser-Ausgangsspiegel (der rechten Stirnfläche der Vorrichtung 10). Der Laserstrahl, gesehen in einer zur übergangsebene parallelen Ebene hat dagegen einen Fernfeld-Divergenzhalbwinkel Θ« von etwa 6 bis 8 , dessen zugehörige scheinbare Lichtquelle in einem Abstand b von etwa 20 bis 50 Mikrometer hinter dem Laser-Ausgangsspiegel gelegen ist.

Die Ausgangsstrahlung des Lasers 10 kann zweckmäßig an Hand zweier räumlich getrennter Luft-äquivalenter Strahlenbündeleinschnürstellen beschrieben werden. (Hierin sind diese Strahlenbündeleinschnürstellen nicht explizit dargestellt; und im Interesse einer leichteren Darstellung sind sämtliche Quellen und deren Abbildungen schematisch durch Punkte dargestellt. ) Eine dieser Einschnürstellen W ist größenordnungsmäßig gleich der halben Breite a in Fig. 2 und ist für die Strahldivergenz parallel zur übergangsebene verantwortlich. Die andere Strahlenbündeleinschnürstelle W ist annähernd gleich der halben Höhe der Zone 14 und ist für die Strahldivergenz senk-

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recht zur Übergangsebene verantwortlich. Der Umstand, daß diese Einschnürstellen räumlich voneinander getrennt sind, bedeutet, daß das Laserstrahlenbündel astigmatisch ist. Der Umstand, daß W typischerweise größer als W ist, bedeutet, daß das Strahlenbündel elliptischen Querschnitt hat und daß seine Fernfeld-Divergenz senkrecht zur übergangsebene stärker als parallel hierzu ausgebildet ist. Astigmatismus und elliptischer Strahlquerschnitt müssen zum Erhalt einer sphärischen Wellenfront auskorrigiert werden, die vom praktischen Standpunkt her gesehen für eine unter maximalem Wirkungsgrad erfolgende Laserbearbeitung erforderlich ist.

In der vorstehend erwähnten Anmeldung (Chemelli et al) sind optische Komponenten zum Umwandeln des aus dem Laser 10 (Fig. 1 und 2) austretenden elliptischen Lichtstrahlenbündels in ein kreisförmiges Lichtstrahlenbündel und zum Fokussieren des Lichtes auf ein Aufzeichnungsmedium beschrieben. Beispielhafte Komponenten, die dort beschrieben sind, sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Diese Komponenten umfassen eine kleine halbzylindrische Linse 16 und eine optische Faser 17 mit sich graduell änderndem Brechungsindex .

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λ(ρ

Die halbzylindrische Linse 16 ist dahingehend wirksam, daß die in dem fächerförmigen Lichtstrahlenbündel in Fig. 1 verlaufenden Strahlen um unterschiedliche Beträge zur Hauptachse 18 hin gebrochen werden.Im einzelnen ist die Linse dahingehend ausgewählt, daß der Divergenzwinkel θ_ in Fig. 1 annähernd gleich dem Divergenzwinkel θ (Fig. 2) wirkt. Für das fächerförmige Lichtstrahlenbündel, das in Fig. 2 dargestellt ist, hat die halbzylindrische Linse keine Fokussierungswirkung. Die das Strahlenbündel der Fig. 2 bildenden Strahlen werden jedoch durch die Komponente 16 gebrochen und um Beträge versetzt, die mit dem Einfallswinkel zunehmen.

Wie in deroben erwähnten Anmeldung beschrieben, ist das Ergebnis der Wirkung der Linse 16 der Fig. 1 und 2 das, das Laserausgangsstrahlenbündel in ein annähernd anastigmati sches Strahlenbündel von kreisförmigem Querschnitt umzuwandeln, das sich dann für die weitere Bearbeitung eignet.

Ein Linsenelement, wie die halbzylindrische Komponente in Fig. 1 und 2, das eine Linsenwirkung nur auf das fächerförmige Strahlenbündel in der yz-Ebene (die zur Übergangsebene senkrechte Ebene) ausübt, sei nachstehend als eine C -Linse bezeichnet (wenn die Komponente 16 um 90 um die

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z-Achse gedreht wäre, würde sie als C -Linse bezeichnet werden. In diesem Falle würde eine Linsenwirkung nur für das fächerförmige Strahlenbündel in der xz-Ebene, der zur übergangsebene parallelen Ebene, vorhanden sein.

Wie bereits erwähnt, unterliegt das Ausgangsstrahlenbündel eines Galliumarsenid-Lasers manchmal einer Auswanderung und/oder Fadenbildung. Eine Strahlauswanderung ist beispielsweise dann vorhanden, wenn die Hauptachse in Fig. 2 eine Neigung nach oben oder unten in der xz-Ebene erfährt, um einen von 0 verschiedenen Winkel mit der z-Achse zu bilden. Ein verbreiteter Typ der Fadenbildung (Quellenversetzung) äußert sich beispielsweise darin, daß eine Verschiebung der in Fig. 2 als links von der Laserausgangsfläche gelegenen scheinbaren Lichtquelle längs der x-Achse auftritt.

Wenn eine Strahlauswanderung oder Fadenbildung durch Quellenversetzung bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung auftritt, wird ein Teil der Ausgangsstrahlung des Lasers nicht mehr in die Faser 17 eingekoppelt. Wenn dieser Ausblendeffekt hinreichend ausgeprägt ist, wird das Vermögen des Lasers, eine Dünnschicht in zuverlässiger hochqualitativer Weise zu bearbeiten, ernsthaft beeinträchtigt. Dieses rührt von dem Umstand her,

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daß bei einer Reduzierung der Laserenergie, mit der die Dünnschicht beaufschlagt wird, in diese ein kleineres Loch als gewünscht eingearbeitet wird und, unterhalb eines gewissen Energieschwellenwertes, sogar überhaupt kein Loch entsteht.

Vor der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung, die wesentlich vorteilhaftere Alternativen zu der die Elemente 16 und 17 in Fig. 1 und 2 umfassenden Anordnung bilden, erscheint es zweckmäßig, kurz das Gesamtsystem zu beschreiben, in welchem die erfindungsgemäßen Ausführungsformen beispielsweise vorgesehen sein können. Ein solches System ist in Fig. 3 dargestellt.

Das in der oben erwähnten Arbeit von Watson speziell beschriebene Faksimilesystem weist einen Yttrium-Aluminium Granat -Laser (YAG-Laser) auf. Dieser Laser hat jedoch gewisse praktische Nachteile hauptsächlich deswegen, weil er ein Wasserkühlsystem und sowohl interne als auch externe akusto-optische Modulatoren erfordert. Im Gegensatz hierzu ist ein GaAs-Laser viel kleiner und wesentlich billiger als ein YAG-Laser und kann durch bloßes Ändern des den pn-übergang des Bauelementes

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- JHT-

in Durchlaßrichtung passierenden Stromes moduliert werden. Die für den GaAs-Laser benötigte Speisespannungsquelle ist gleichfalls viel kleiner, und der Laser benötigt keine Wasserkühlung. Demgemäß ist das in Fig. 3 dargestellte System als einen GaAs-Laser 20 enthaltend dargestellt. Dieses System wird beispielsweise bei der Faksimileübertragung, Informationswiedergewinnung und Computer-Zeichnungen benutzt.

Bei der Anlage nach Fig. 3 wird ein empfangenes elektrisches Analogsignal 21 dem Eingangsanschluß 22 zugeführt. Vom Signal 21 sei angenommen, daß es beispielsweise von einer Rasterabtastung einer Zeichnungsvorlage herrührt. Im einzelnen ist das Signal 21 eine Analogdarstellung der hellen und dunklen Gebiete längs aufeinanderfolgender Zeilen, die in äquidistanter Anordnung von oben nach unten im Verlauf eines Bildrahmens abgetastet werden.

Ein Impulsgenerator 23 spricht auf das Signal 21 durch Erzeugen eines Zuges 24 von Impulsen variabler Amplitude an, die für das Signal 21 repäsentativ sind. Die Impulse des Zugs 24 verursachen ihrerseits, daß der Laser 20 im Impulsbetrieb betätigt wird. Bei dieser Betriebsart erzeugt der Laser Ausgangsimpulse variabler Intensität bei einer Wellenlänge von 8900 S , wobei die Impuls-

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23Λ3364

breite je etwa 100 Nanosekunden beträgt. Während der Bearbeitung einer Zeile können diese Impulse bei einer Wiederholungsfrequenz von bis zu ewa 0,2 MHz auftreten.

Bei der dargestellten Anordnung befindet sich ein Linsensystem 25 im Weg der vom Laser 20 erzeugten optischen Impulse. Verschiedene Ausführungsformen dieses Linsensystems sind in den Fig. 4 bis 9 dargestellt und werden nachstehend im einzelnen beschrieben. Das Linsensystem 25 ist gegenüber Strahlauswanderung und Phasenbildung vergleichweise unempfindlich und dient dazu, die Ausgangsstrahlung des Lasers auf ein expandiertes, anastigmatisch.es Strahlenbündel kreisförmigen Querschnittes umzuwandeln. Das Strahlenbündel, das vom Linsensystem 25 erzeugt wird, ist durch die gestrichelt gezeichneten Linien 26 dargestellt und begrenzt.

Das kollimierte Strahlenbündel 26 fällt dann auf einen elektromechanisch betriebenen Galvanometerspiegel 28, der um eine zur Papierebene senkrechte Achse sägezahnförmige Schwingungen ausführt. Hierdurch wird das Strahlenbündel von einer Seite auf die andere Seite des zu bearbeitenden Bildrahmens abgelenkt. Nach Reflexion am Spiegel 28 wird das Strahlenbündel 26 durch eine Flach-

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feldlinse 30 fokussiert und an einen dichroitischen Spiegel 32, der für Licht einer Wellenlänge von 8900 S hoch reflektierend ist, reflektiert und von dort aus als stark eingeschnürtes Strahlenbündel von etwa 5 Mikrometer Durchmesser auf die Oberfläche der Dünnschicht 34 fokussiert.

Der Galvanometerspiegel 28 ist außerdem um eine in der Papierebene verlaufende Achse kardanisch gelagert und wird um diese Achse langsam geschwenkt. Dieses hat zur Folge, daß das Laserstrahlenbündel sich langsam von oben nach unten im jeweiligen Bildrahmen auf der Dünnschicht 34 bewegt. Auf diese Weise werden aufeinanderfolgend im Abstand voneinander liegende Zeilen in die Dünnschicht eingeschrieben.

Licht einer Projektionslampe 36 wird über eine Kondensorlinsenanordnung 38 und durch den dichroitischen Spiegel 33 hindurch auf die Dünnschicht 34 gerichtet. Auf diese Weise wird ein Bild der auf der Dünnschicht 34 entstehenden Aufzeichnung durch die Projektionslinse 40 auf einen Sichtschirm 42 projiziert.

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- vr-

In Fig. 4 sind die oben erwähnten Einschnürstellen W und W eines optischen Strahlenbündels, das von einem Galliumarsendi-Laser geliefert wird, durch die Punkte 50 bzw. dargestellt. Weiterhin sind der erleichterten Darstellung halber die von den beiden Einschnürstelien ausgehenden optischen Strahlen in einer einzigen zweidimensionalen Abbildung wiedergegeben. C₁ und C geben in Fig. 4 jene Stellen längs der Hauptachse 53 an, an denen der Strahlquerschnitt kreisförmig ist. Die Stelle C₁ liegt innerhalb des Lasers und die Stelle C₂ liegt typischerweise 25 Mikrometer rechts vom Laserausgangsspiegel.O und O sind die entsprechenden Abstände der Einschnürstellen oder Objekte W und W von der Mitte der Linse 55, und A stellt den Nahfeld-Astigmatismus des Strahlenbündels dar. Bei der dargestellten Ausführungsform sitzt eine sphärische Linse 55 mit großer numerischer Apertur und einer Brennweise f im Weg des von den Einschnürstellen W und W ausgehenden Strahlenbündels. Im einzelnen handelt es sich bei der Linse 55 um ein gut auskorrigiertes Element, dessen numerische Apertur hinreichend groß ist, um an die oben beschriebene Divergenz des Laserstrahlenbündels zuzüglich der durch Strahlauswanderung erzeugten Winkelabweichungen angepaßt zu sein. Eine sphärische Einzellinse kann als das Element 55 vorgesehen sein. Es empfiehlt sich jedoch ein gut auskorrigiertes Mikroskopobjektiv als das Element 55 zu verwenden, das mehrere

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Linsenglieder umfaßt, deren Gesamtwirkung der einer sphärischen Einzellinse entspricht. Beispielsweise ist das Element 55 gebildet durch ein übliches 43x-Mikroskopobjektiv einer numerischen Apertur von 0,65, das einen oder mehrere hintereinander liegende Aplanate, gefolgt von einem oder mehreren sphärischen Linsendoublets umfaßt. Jedenfalls ist es die Funktion der Linse 55, die Divergenz winkel der hierauf einfallenden Strahlenbündel wesentlich zu verringern.

Bei der dargestellten Ausführungsform erzeugt die Linse 55 in Fig. 4 Bilder W und W der Punkte W und W bei

xy χ y

den Entfernungen I und I hinter der Mitte der Linse 55. Die Stellen C₁ und C„ kreisförmigen Strahlbündelquerschnittes befinden sich nun bei C' und C-. Unter Berücksichtigung der Brennweite f der sphärischen Linse 55 und der Objektabstände O und O ergibt sich der Bildfeldastigmatismus A¹ zu

•Beispielsweise liegt die lineare Vergrößerung M bei etwa 43 und die lineare Vergrößerung M bei etwa 30, so daß A¹ etwa gleich 1300 A ist. Ein repräsentativer Bereich der Werte für A liegt bei 40 bis 50 Mikrometer. Folglich

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- Mf-

beträgt A¹ etwa 50 bis 65 mm, Werte also, die mit üblichen leicht herstellbaren halbzylindrischen Linsen korrigiert werden können.

Bei einer Ausführungsform ist eine halbzylindrische Einzellinse 57 des C -Typs (siehe Fig. 5) im von der sphärischen Linse 55 herrührenden Strahlengang eingefügt. Im einzelnen ist die Linse 57 auf der Achse 53 zentral angeordnet, und zwar an der oben erwähnten Stelle C₁ kreisförmigen Strahlenbündelquerschnittes. Die Linse 57 ist dafür entworfen, ein reelles Bild von B¹ ein B¹ zu entwerfen. Demgemäß erscheinen sämtliche Lichtstrahlen rechts von W als von dieser Stelle aus mit azimutaler Symmetrie divergierend. Mit anderen Worten, ein jeder der von W¹ ausgehenden Lichtstrahlen, der in Fig. 5 nach rechts verläuft, bildet ungefähr den gleichen Winkel zur Achse 53. Folglich kann die sphärische Wellenfront, die von W¹ aus divergiert, mit üblichen Komponenten expandiert und kollimiert werden, um ein Strahlenbündel kreisförmigen Querschnittes zu erzeugen, wie dieses bei 26 in Fig. 3 dargestellt ist.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 5 betragen die Abstände O¹ und I¹ 40 bzw.

X X

20mm.. In. diesem EaIl liegt die Brennweite f- -Linse 57

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2 B 4 3 3 6

bei etwa 13mm.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Hier ist eine einfache halbzylindrische. Einzellinse 59 des C -Typs zentral auf der Hauptachse 53 im durch die sphärische Linse 55 gebildeten Strahlengang angeordnet. Im einzelnen sitzt die Linse 59 an der oben erwähnten Stelle Cp kreisförmigen Strahlenbündelquerschnitts. Die Linse 59 ist dafür ausgelegt, ein virtuelles Bild von W¹ bei W zu erzeugen. Demgemäß erhält man eine sphärische Wellenfront, da sämtliche Strahlen rechts von der Linse 59 als etwa mit azimutaler Symmetrie von W aus divergierend erscheinen.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 6 beträgt die Entfernung zwischen W¹ und W gleich 60mm und die Entfernung zwischen W und C2 beträgt 100mm. In diesem Fall beträgt die Brennweite der C -Linse 59 etwa 70mm.

Da bei C₁ (Fig. 5) und bei C' Ci¹Ig. 6) die Strahlenbündelquerschnitte im Regelfall einen Durchmesser kleiner als 1mm haben, leuchtet ein, daß die Linse 57 und 59 sehr schwache Elemente sein können, d. h. eine große F-Zahl haben. Typischerweise ist die C -Linse 59 schwächer

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als die C -Linse 57. Demgemäß ist die Linse 59 durch eine größere F-Zahl und durch eine bessere Aberrationsfreiheit gekennzeichnet, sie wird daher im allgemeinen bei praktischen Anwendungsfällen bevorzugt. Vor allem aber ist wichtig, daß Versetzungen (in der x-Richtung) der Strahleinschnürstelle W* , die von Quellenversetzungs-Fadenbildung herrühren, keine Aberrationen erzeugen, wenn die C -Linse 59 (Fig. 6) verwendet wird, da diese Linse in der x-Richtung keine Brechkraft besitzt. Dieses Merkmal fehlt für die C -Linse 57 (Fig. 5) und führt daher zu einer generellen Bevorzugung jener Ausführungsformen, bei denen nur C -Linsen benutzt werden. Andererseits hat die Ausführungsform nach Fig. 5 kürzere optische Weglängen als die Ausführungsform nach Fig. 6, ein Umstand von gleichfalls praktischer Bedeutung, der zur Bevorzugung der Ausführungsform nach Fig. 5 führen kann, obgleich diese gegenüber Quellenversetzung-Fadenbildung empfindlich bleibt.

Bei einem tatsächlichen System der in Fig. 3 dargestellten Art wurde gefunden, daß im wesentlichen beugungsbegrenztes Betriebsverhalten mit der halbzylindrischen Einzellinse 59, die bei C'₂ (Fig. 6) angeordnet ist, erhalten werden kann.

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Wie bereits erwähnt, verringert sie sphärische Linse 55 die Divergenzwinkel des Strahlenbündels. Im Ergebnis werden alle Winkelabweichungen des Laserstrahlenbündels von der Achse 53, die von Strahlauswanderungseffekten herrühren, verringert. Bei bestimmten Ausfuhrungsformen der Erfindung wird eine Auswanderung oder Winkelabweichung des ursprünglichen Laserstrahlenbündels um 10° auf etwa 1/2 durch die sphärische Linse 55 reduziert. Praktischerweise ist daher der Öffnungswinkel der Linsen 57 (Fig. 5) und 59 (Fig. 6) regelmäßig ausreichend groß, um an eine derartig relativ kleine Abweichung angepaßt zu sein, und außerdem kann die Linse 59 Quellenversetzungen in der Ebene des Übergangs ohne Anlaß zu Aberrationen verkraften. Eine ähnliche Unemfindlichkeit gegenüber kleinen winkelmäßigen und translatorischen Strahlenbündelverschiebungen kann leicht bei den zusätzlichen optischen Komponenten vorgesehen werden, die zwischen den Linsen 57 und 59 und der Dünnschicht 34 (Fig. 3) sitzen. Aus diesem Grund haben sich die hier beschriebenen Anordnungen als vergleichsweise unempfind3_£.ch gegenüber Strahlauswanderraigr erwiesen xmä._r soweit: d±e „Anordnung nach Fig» 6 betroffen: ist_r axrefargegenü&err QueXIenversietzungs-Fadenbildungseffefcten~-

Die sphärischen Wellenfronten/ die durch die Anordnungen nach Fig. 5 und 6 erzeugt werden, laufen dann durch übliche optische Komponenten, die das Strahlenbündel expandieren und kollimieren. Als Beispiel ist in Fig. 7 ein dem
optischen Ausgang der Linse 59 der Anordnung nach Fig. 6 nachgeschaltetes übliches Strahlenbündelexpansions- und
Kollimatorsystem 60 dargestellt. In Fig. 7 stellen die
optischen Ausgangsstrahlen 26 ein kollimiertes Strahlenbündel kreisförmigen Querschnittes dar. Die Strahlen 26
entsprechen den identisch bezeichneten Strahlen, die
aus der Anordnung 25 in Fig. 3 austreten. Es versteht
sich, daß diese Expandier-Kollimator-Komponenten so entworfen sein müssen, daß sie über kleine, jedoch endliche Feldwinkel beugungsbegrenzt sind.

Zahlreiche Alternativen zu den in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen sind möglich. Beispielsweise können ein Paar halbzylindrischer Linsen oder eine Kombination einer sphärischen und einer halbzylindrischen Linse verwendet werden, um sphärische Aberration zu vermeiden oder zu verringern. Zwei solcher Alternativen sind in Fig. 8 und 9 dargestellt.

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In Fig. 8 befindet sich eine halbzylindrische C -Linse

61 an der STelle W und ist eine halbzylindrische C -Linse

62 rechts vom Element 61 an einer Stelle kreisförmigen Strahlbündelquerschnittes angeordnet.

In Fig. 9 befindet sich eine halbzylindrische C Zerstreuungslinse 63 an der Stelle W und eine halbzylindrische C -Linse 64 ist rechts vom Element 63 an einer Stelle kreisförmigen Strahlbündelquerschnittes angeordnet.

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Claims

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Patentansprüche

.1. Linsensystem zur Anordnung zwischen der Strahlungs-Aüsgangsfläche eines Festkörper-Übergangslasers und einer von der Laserstrahlung selektiv zu bearbeitenden Dünnschicht, wobei das Ausgangsstrahlenbündel des Lasers, gesehen in einer zur Übergangsebene des Lasers senkrechten Ebene, einen vergleichsweise großen Fernfeld-Divergenzwinkel für eine an der Ausgangsfläche befindliche scheinbare Quelle aufweist und, gesehen in einer zur übergangsebene des Lasers parallelen Ebene, einen vergleichsweise kleinen Fernfeld-Divergenzwinkel für eine hinter der Ausgangsfläche befindliche scheinbare Quelle besitzt und wobei das Linsensystem eine sphärische Linse (55) aufweist, die sich in einer der Sammlung des vom Laser emittierten Lichtes dienenden Stellung befindet und eine für eine Anpassung an die maximale Divergenz des Ausgangsstrahlenbündels ausreichend große numerische Apertur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse (55) im Abstand voneinander liegende Bilder (W , W ) der beiden Quellen erzeugt und daß Linsenmittel (57)

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München: Kramer. Dr.Weser -Hirsch —WiesbadensBlumbach · Dr.Bergen ■ Zwirner

zum Sammeln von von der sphärischen Linse geliefertem Licht derart vorgesehen sind, daß die auf die Dünnschicht gerichteten Lichtstrahlen als von einem Bild (vom reellen Bild W in Fig. 5, vom virtuellen Bild W in Fig. 6) aus mit azimutaler Symmetrie divergierend, erscheinen.
2. Linsenanordnung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch optische Mittel (60) im Strahlengang der divergierenden Strahlen zu deren Kollimation und zur Erzeugung eines Strahls kreisförmigen Querschnittes .
3. Linsenanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das vom Laser gelieferte Strahlenbündel zwei im Abstand voneinander gelegene Stellen (C₁, C₂) kreisförmigen Strahlenbündelquerschnittes besitzt, die vor der sphärischen Linse gelegen sind und von denen die eine Stelle, C-, innerhalb des Lasers und die andere, C₂, zwischen der Ausgangsfläche des Lasers und der sphärischen Linse angeordnet sind, daß das von der sphärischen Linse erzeugte Strahlenbündel zwei im Abstand voneinander gelegene Stellen kreisförmigen Strahlenbündelquerschnittes, C¹- und C , aufweist, die den Stellen C₁ und C₂ entsprechen, wobei die im

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Abstand gelegenen Bilder mit W und W bezeichnet sind und W näher bei der sphärischen Linse als W gelegen ist, daß C₁ zwischen W und W liegt, daß C₉ von der sphärischen Linse weiter entfernt als W ist und daß die Linsenmittel eine halbzylindrische Linse umfassen, die an einer der Stellen C₁, C₉, W und W angeordnet ist.
4. Linsenanordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die halbzylindrische Linse als Sammellinse ausgebildet und bei C₁ angeordnet ist , um ein reelles Bild von W bei W zu erzeugen, so daß sämtliche Lichtstrahlen auf der Seite der Dünnschicht von W als von W aus mit azimutaler Symmetrie divergierend, erscheinen.
5. Linsenanordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die halbzylindrische Linse als Sammellinse ausgebildet und bei C~ angeordnet ist, um ein virtuelles Bild von W bei W zu erzeugen, so

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daß alle Lichtstrahlen auf der Seite der Dünnschicht von der halbzylindrischen Linse als von W aus mit azimutaler Symmetrie divergierend, erscheinen.

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6. Linsenanordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die halbzylindrische Linse als Sammellinse ausgebildet und bei W angeordnet ist, um die von W¹ austretenden divergierenden Lichtstrahlen

zu kollimieren, und daß die Linsenmittel eine zweite halbzylindrische Sammellinse (62) auf der Dünnschichtseiteder ersten halbzylindrischen Linse an einer Stelle kreisförmigen Strahlenbündelquerschnittes aufweist, um die von W¹ ausgehenden divergierenden Lichtstrahlen zu kollimieren.
7. Linsenanordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die halbzylindrische Linse als Zerstreuungslinse (63) ausgebildet und bei W angeordnet ist, um die auf W gerichteten konvergierenden Lichtstrahlen zu kollimieren, und daß die Linsenmittel des weiteren eine halbzylindrische Sammellinse (64) auf der Seite der Dünnschicht der halbzylindrischen Zerstreuungslinse an einer Stelle kreisförmigen Strahlbündelquerschnittes aufweisen, um die von W aus-

gehenden divergierenden Lichtstrahlen zu kollimieren.
8. Linsenanordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenmittel des weiteren ein Strahlenbündelexpansions- und Kollimatorsystem (60)

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aufweisen, das im Weg der von W aus divergierenden Lichtstrahlen angeordnet ist.
9. Linsenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenmittel des weiteren ein Strahlenbündelexpansions- und Kollimatorsystem (60) im Weg der Lichtstrahlen aufweisen die von der halbzylindrxschen Linse aus divergieren.

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